Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лабораторная работа 1
ПТБ и оборудование химической лаборатории. Лабораторный журнал
Общие положения
До начала лабораторного занятия студенты должны пройти первичный инструктаж по технике безопасности. Перед выполнением каждой лабораторной работы преподаватель проводит инструктаж на рабочем месте, указывая дополнительные меры предосторожности.
За каждым студентом в учебной лаборатории закрепляется определенное место.
К работе в лаборатории студенты допускаются только в халатах и сменной обуви, при необходимости надеваются очки, респираторы, противогазы, резиновые перчатки, а в некоторых случаях головной убор и прорезиненный фартук.
При подготовке к лабораторной работе студенты обязаны самостоятельно проработать рекомендуемый теоретический материал.
К любой работе можно приступать только в том случае, если все ее этапы понятны и не вызывают сомнений. При возникновении каких-либо неясностей следует немедленно обратиться к преподавателю.
В случае попадания каких-либо химических веществ на тело необходимо быстро промыть участок, на одежду - очистить, промыть и желательно заменить.
Опыты следует проводить с малыми количествами реактивов и строго придерживаться условий, указанных в инструкции.
Любые работы надо выполнять точно, аккуратно, не допуская поспешности и беспорядочности.
На рабочем месте должны находиться только необходимые в данный момент реактивы, приборы и оборудование.
Обо всех неполадках в работе оборудования учебной лаборатории положено немедленно сообщать преподавателю или лаборанту. Категорически запрещены попытки самостоятельного исправления дефектов.
Все приемы оказания первой медицинской (доврачебной) помощи при несчастных случаях напоминаются перед началом лабораторной работы. Каждый должен уметь накладывать повязки для остановки кровотечения, проводить искусственное дыхание, непрямой массаж сердца и т. д. На видном месте должна находиться полностью укомплектованная аптечка первой помощи.
В лаборатории запрещается:
А) работать при неисправной вентиляции;
Б) производить какие-либо работы, не предусмотренные инструкцией;
В) принимать пищу или питье;
Г) работать без спецодежды;
Д) шуметь, громко разговаривать, производить резкие движения;
Е) хранить личную одежду;
Ж) работать в лаборатории одному;
З) оставлять без присмотра работающие установки, нестационарные нагревательные приборы, открытое пламя.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Работа с реактивами
Насыпать или наливать реактивы разрешается только над столом.
Реактивы следует после использования плотно укупоривать, а наиболее летучие помещать в вытяжной шкаф.
Все работы с пылящими, летучими и концентрированными реактивами следует проводить только в вытяжном шкафу при включенной вентиляции.
При работе с агрессивными жидкостями следует пользоваться подносами с бортиками.
Просыпанные или пролитые реактивы следует немедленно и тщательно убирать.
Категорически запрещается выбрасывать в раковины не смешивающиеся с водой жидкости и твердые вещества, а также опасные токсичные вещества.
Категорически запрещается пользоваться реактивами без этикеток или с сомнительными этикетками, путать пробки склянок во избежание загрязнения реактивов.
Запрещается превышать нормы расхода реактивов, указанные в инструкции; ссыпать или сливать ошибочно взятый избыток реактива обратно в исходную емкость.
Запрещается вносить или выносить реактивы без разрешения преподавателя или лаборанта.
Запрещается нарушать правила разбавления растворов: вещества вливаются в воду!
Запрещается нарушать правила определения запахов: только с помощью ладони!
Работа с огнеопасными веществами
Нельзя допускать попадания горючих паров в атмосферу - работать только в вытяжном шкафу.
Категорически запрещается работать с огнеопасными веществами вблизи включенных горелок или электрических приборов.
Лаборатория должна быть снабжена средствами для тушения пожаров в соответствии с существующими нормами. Обязательно наличие сухого песка, асбестового одеяла, пенного (ОП-5) и углекислотного (ОУ-5) огнетушителей.
Работа со стеклом
Применение физической силы при работе со стеклянными приборами и оборудованием не допускается.
Категорически запрещается использовать посуду, имеющую трещины.
Категорически запрещается разламывать трубки или вскрывать ампулы по месту надпила, не обернув их при этом полотенцем.
Осколки разбитой посуды убирать немедленно с помощью щетки и совка.
Нагревание производить только в посуде из термостойкого стекла. Следует учитывать маркировку стекла: ХС - химически стойкая посуда для кислот и щелочей; ТС - термостойкая посуда; ХТС - химическая термостойкая посуда.
Сборку лабораторных установок со стеклянными деталями производить осторожно, аккуратно, согласно инструкции, без нажима, смазывая концы трубок вазелином или глицерином, нажимая с поворотом по спирали, обернув стекло полотенцем.
Категорически запрещается использование для работы грязной посуды и оборудования. Для мытья посуды после опытов следует применять хозяйственное мыло, кальцинированную соду. Мытье производить в резиновых перчатках.
ОБРАЩЕНИЕ С НАГРЕВАТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ
РАБОТА С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Химическая посуда, лабораторное оборудование и химические реактивы.
Химическая посуда.
Стеклянная посуда общего назначения.
Основным требованием, предъявляемым к стеклянной посуде, является ее химическая и термическая устойчивость. Химическая устойчивость – это свойство стекла противостоять разрушающему действию растворов щелочей, кислот и других веществ. Термическая устойчивость – способность посуды выдерживать резкие колебания температуры.
Лучшим стеклом для изготовления лабораторной посуды считается пирекс. Этот тип стекла обладает термической и химической устойчивостью, имеет малый коэффициент термического расширения. Пирексное стекло содержит 80% оксида кремния (IV). Температура размягчения его около +6200С. Для проведения опытов при высоких температурах используют посуду изкварцевого стекла. Кварцевое стекло содержит 99,95% оксида кремния (IV), температура размягчения его +16500С.
Лабораторную посуду изготавливают в основном из стекла типов ТУ (термически устойчивое), ХУ-1 и ХУ-2 (химически устойчивое). Содержание оксида кремния (IV) в обычном лабораторном стекле составляет 70%.
В лабораторной практике наибольшее распространение получили следующие виды стеклянной посуды:
Пробирки простые и калиброванные (с делениями, указывающими объем) (рис. 1) используют для проведения опытов с небольшим количеством реактивов. Объем реактива в пробирке не должен превышать половины ее объема.
Лабораторные стаканы (рис. 2) выпускают различных размеров, с носиком и без носика, простые и калиброванные. Стаканы предназначены для выполнения самых разнообразных процедур.
Колбы различного размера и формы (круглые, конические, плоскодонные, круглодонные (рис. 3). Например, в лабораторной практике широко применяют конические плоскодонные колбы(колбы Эрленмейера). Колба Вюрца представляет собой круглодонную колбу с отводной трубкой под углом 60-800. Ее используют для получения газов и для отгонки жидкостей при атмосферном давлении.
Воронки химические (рис. 4) служат для переливания жидкостей и фильтрования; капельные воронки (рис. 5) используют для введения в реакционную среду жидких реактивов небольшими порциями. Воронки делительные (рис. 5) применяют для разделения несмешивающихся жидкостей.
Капельницы (рис. 6) используют для введения реактивов малыми порциями, по каплям.
Бюксы (рис. 7) предназначены для взвешивания и хранения жидких и твердых веществ.
Часовые стекла (рис. 8) используют для проведения реакций в малых объемах (капельные реакции) и для взвешивания твердых веществ.
Холодильники (рис. 9) применяются для охлаждения и конденсации паров, образующихся при нагревании различных веществ. При перегонке применяют прямые холодильники (Либиха), а при кипячении растворов и жидкостей, экстракции и других подобных процессах используют обратные холодильники.
Кристаллизаторы (рис. 10) применяют для получения кристаллов веществ из насыщенных растворов или для охлаждения химических стаканов или колб с реагирующими веществами.
Аллонжи (рис. 11) играют роль соединительных элементов в установках по пергонке веществ.
Эксикаторы (рис. 12) применяют для медленного высушивания и хранения веществ, легко поглощающих влагу из воздуха. Нижнюю часть эксикатора заполняют водопоглощающими веществами (прокаленный хлорид кальция, концентрированная серная кислота, оксид фосфора (V) и др.). Над поглотителем на фарфоровом вкладыше помещают бюксы или тигли с веществами, подлежащими осушке. Различают два основных типа эксикаторов: обычные эксикаторы и вакуум-эксикаторы.
Аппарат Киппа (рис. 13) – прибор для периодического получения водорода, сероводорода, оксида углерода (IV) и других газов в лаборатории.
Фарфоровая посуда
По сравнению со стеклянной обладает большей химической устойчивостью к кислотам и щелочам, большей термостойкостью. Фарфоровые изделия можно нагревать до температуры около 12000С. Недостатком ее является непрозрачность и сравнительно большая масса. Фарфоровая посуда также разнообразна по форме и назначению.
Стаканы (рис. 14) бывают различной емкости, с ручкой и без ручки, с носиком и без носика.
Фарфоровые кружки так же бывают различной емкости (обычно от 250 мл до 2-х литров.)
Выпарительные чашки (рис. 15) используют для выпаривания и нагревания жидкостей.
Тигли (рис. 16) – сосуды, применяемые для прокаливания различных твердых веществ (осадков, минералов и т.п.), а также для сплавления и сжигания. При прокаливании веществ на пламени газовой горелки тигли закрепляют в проволочных треугольниках с фарфоровыми трубками (рис. 17).
Фарфоровые ступки с пестиком (рис. 18) применяют для измельчения твердых веществ. Перед работой ступка должна быть тщательно вымыта и высушена. Вещество насыпают в ступку в количестве не более 1/3 ее объема (иначе оно будет высыпаться из ступки при измельчении). При растворении твердого вещества в ступке (с одновременным растиранием) вначале насыпают твердое вещество, а затем к нему постепенно небольшими порциями при круговом движении пестика добавляют жидкость. Всю жидкость, которую берут для растворения, употреблять не следует: не менее 1/3 количества ее оставляют для того, чтобы по окончании растворения сполоснуть ступку и обмыть пестик, после чего этот раствор добавляют к ранее полученному раствору.
Фарфоровые ложки-шпатели (рис. 19) применяют для отбора веществ, для снятия осадков с фильтров и при многих других работах.
Воронки Бюхнера и фарфоровые сетки (рис. 20) применяют для фильтрования жидкостей при пониженном давлении (под вакуумом).
Мерная посуда.
Для измерения объемов жидкостей используют разнообразную мерную посуду: мерные колбы, мерные цилиндры, мензурки, пипетки и др.
Мерные колбы (рис. 21) служат для приготовления растворов точной концентрации и представляют собой круглые плоскодонные колбы с длинным и узким горлом, на котором нанесена тонкая черта. Эта отметка показывает границу, до которой следует наливать жидкость, чтобы ее объем соответствовал указанному на колбе значению. Цифры на колбе показывают объем жидкости (мл), на который она рассчитана. Мерные колбы обычно имеют притертые пробки. Применяют колбы на 50,100, 250, 500 и 1000 мл.
Мерные колбы меньшего объема, использующиеся для определения плотности жидкостей, называются пикнометрами.
Мерные цилиндры (рис. 22) представляют собой стеклянные сосуды, которые для большей устойчивости имеют широкое основание (дно) или специальную подставку. Снаружи на стенках цилиндров нанесены деления, указывающие объем (в мл). Мерные цилиндры бывают различной емкости: от 5 мл до 2 л. Их назначение – измерять (с определенной погрешностью) различные объемы жидкости.
Мензурки (рис. 23)-это сосуды конической формы с делениями на стенке.
Пипетки (рис. 24) служат для отбора точно определенных относительно небольших объемов жидкостей. Они представляют собой стеклянные трубки небольшого диаметра с делениями. Некоторые пипетки имеют расширение посредине (пипетки Мора). Нижний конец пипетки слегка оттянут и имеет внутренний диаметр до 1 мм. На верхнем конце пипетки имеется метка, до которой набирают жидкость. Некоторые пипетки снабжены двумя метками. Обычно пипетки имеют емкость от 1 до 100 мл.
Бюретки (рис. 25) служат для отмеривания точных объемов жидкостей, преимущественно при химико-аналитических работах (титрование). Они могут иметь различную конструкцию и иметь разный объем.
Пластмассовая посуда.
В лабораторной практике используют посуду, изготовленную из полимерных материалов (полиэтилен, полипропилен, фторопласт и др.) При высокой химической устойчивости такая посуда обладает низкой термостойкостью, и поэтому ее обычно используют в работах, не требующих нагревания. Из полиэтилена изготовляют воронки для жидких и сыпучих веществ, промывалки, капельницы, флаконы и банки для транспортировки и хранения химических реактивов, пробирки для центрифугирования, пипет-дозаторы и наконечники к ним и др.
Металлическое оборудование.
В химических лабораториях широко применяют разнообразное металлическое оборудование, преимущественно стальное.
Штативы (рис. 26) с набором муфт, лапок и колец используют для закрепления на них во время работы различных приборов, стеклянной посуды (холодильников, колб, делительных воронок и пр.). Кольца, закрепленные на штативе, используют также при нагревании химической посуды на металлических асбестированных сетках (рис. 27) газовыми горелками.
Треноги (рис. 28) применяют в качестве подставок для различных приборов, колб и пр. Они особенно удобны при нагревании крупных по размеру колб и громоздких приборов.
Держатели для пробирок (рис. 29) – приспособления, которые используются при непродолжительном нагревании пробирок.
Пинцеты (рис. 30) – приспособления для захватывания мелких предметов, а также веществ, которые нельзя брать руками, например, металлический натрий.
Тигельные щипцы (рис. 30) применяют для захватывания горячих тиглей при извлечении их из муфельной печи, снятия раскаленных тиглей с фарфоровых треугольников и при всех работах, когда приходится иметь дело с раскаленными предметами.
Зажимы (рис. 31) – приспособления, используемые для зажимания резиновых трубок. Обычно применяют пружинные зажимы (зажимы Мора) и винтовые (зажимы Гофмана). Последниепозволяют легко регулировать скорость вытекания жидкости или интенсивность прохождения газов.
Лабораторные нагревательные приборы.
В лаборатории применяют различные нагревательные приборы: газовые горелки, электрические плитки, бани, сушильные шкафы, муфельные печи и т. п.
Бани (рис.33). Для продолжительного нагревания в пределах температуры 100-3000С применяют бани: водяную, песчаную и др. Они представляют собой, как правило, металлические чаши, заполненные водой (водяная баня) или сухим, чистым песком, прокаленным для удаления из него органических примесей (песчаная баня). Нагревание бань проводят пламенем газовой горелки. Используются также водяные и песчаные бани с электрообогревом.
Электрические плитки. В тех случаях, когда требуется нагревание, а пользоваться горелками нельзя (например, при перегонке воспламеняющихся легколетучих жидкостей) применяют электрические плитки.
Для нагревания круглодонной стеклянной посуды применяют колбонагреватели (рис.34).
Печи. Для получения температуры 600-14000С применяются электрические муфельные печи (рис.35). С помощью особого регулировочного устройства печь может нагреваться до определенной, заранее заданной температуры.
Сушильные шкафы (рис.36) имеют электрический обогрев и терморегулятор, позволяющий поддерживать постоянную температуру. Для наблюдения за температурой шкаф снабжен термометром. Высушиваемое вещество помещается в сушильный шкаф, отрегулированный на требуемую температуру, и выдерживается в нем при заданной температуре определенное время. В работах количественного характера сушку проводят несколько раз до достижения высушиваемым веществом постоянной массы.
Химические реактивы и их хранение
Химические реактивы представляют собой индивидуальные вещества, их растворы или смеси строго регламентированного состава. Химические реактивы предназначаются для практического применения, например, лабораторных работ, научных исследований, химического анализа и др. Они могут использоваться в твердом, жидком или газообразном состояниях (в виде паров). Их принято разделять по степени чистоты на несколько квалификаций, характеристики которых приведены в таблице.
Твердые реактивы хранят в стеклянных и полиэтиленовых банках, а жидкие - в склянках. В зависимости от свойств веществ банки и склянки закрывают стеклянными, полиэтиленовыми, резиновыми или корковыми пробками.
Гигроскопичные вещества хранят в бюксах, эксикаторах, запаянных ампулах, склянках с хлоркальциевыми трубками и банках с притертыми пробками. Пробки банок можно заливать парафином. Реактивы, изменяющиеся под действием света, хранят только в темных склянках. Газообразные химические реактивы в больших количествах хранят в баллонах, а в небольших - в газовых бюретках и газометрах.
Для рабочего лабораторного журнала необходимо взять общую тетрадь, в которой сразу же пронумеровать страницы.
На титульном листе должны содержаться:
– надпись«лабораторный журнал по»;
– название курса;
– Фамилия И.О. студента;
– номер группы;
– название факультета.
В дальнейшем, указанные данные, при необходимости, могут быть дополнены (например, при переходе от курса «Количественныйанализ» к курсу «Физико-химические методы анализа»).
Первые два листаследует оставить для оглавления, которое составляют по ходу работы.
Все записи при выполнении лабораторной работы должны вестись исключительно в лабораторном журнале ручкой; при этом необходимо стремиться к сочетанию краткости записей с их исчерпывающей полнотой.Категорически запрещается делать записи на отдельных листках бумаги! Лабораторный журнал является одновременно и черновиком, и чистовиком. Его следует вести самым аккуратным образом. Здесь и только здесь производятся все записи при выполнении лабораторной работы, в том числе прикидочныерасчеты и предварительные результаты. Наличие таких записей позволяет в любой момент проверить правильность выполнения расчетов или выявить источник ошибки при выполнении лабораторной работы.
Нельзя ничего стирать и исправлять в журнале: в случае ошибки цифру или слово следует зачеркнуть, проставивисправленноенад зачеркнутым или рядом с ним. Все исправления в журнале должны делаться так, чтобы предыдущий результат оставался читаемым. Рядом с исправлением следует указывать, в чем состоит причина исправления ("неправильный расчет", "повторный результат" и т.д.). Если неправильным оказался большой материал, не надо вырывать страницы из журнала: достаточно перечеркнуть их по диагонали, указав причину вычеркивания.
В случае отсутствия лабораторного журнала, преподаватель ставится в известность в начале занятия, подписывается у негоотдельный листок, который в последующем, со всеми полученными данными, вклеивается в лабораторный журнал.
Если для записи результатов анализа или оформления отчета недостаточно предварительно отведенного места в журнале, то в конце записи ставится ссылка с указанием страницы с продолжением записи.
Для ведения черновых записей рекомендуется использовать левые страницы журнала, для оформления отчета и чистовых записей – правые.
Отчет по лабораторной работе оформляется в лабораторном журнале и должен состоять из следующих разделов:
1. Дата выполнения и название лабораторной работы.
2. Цель работы.
3. Краткое теоретическое введение:
– уравнения химических реакций.
– кривая титрования (схематично, в общем виде)
– закон эквивалентов
– расчетные формулы результата анализа
– предварительные расчеты, необходимые для выполнения работы (например, расчет массы навески, объема титранта и т.п.).
– краткое описание свойств веществ, используемых в работе, и обоснование их выбора для выполняемого анализа.
4. Оборудование и реактивы.
§ Приводятся названия и характеристики использованных в работе приборов, стеклянной посуды и реактивов.
§ Для всех средств измерений (мерные колбы, пипетки, бюретки, весы, растворы точной концентрации) приводятся метрологические характеристики согласно их маркировке или справочным данным.
§ Для веществ, используемых в качестве стандарта, приводится степень чистоты или характеристика, ее заменяющая.
§ Если в качестве титранта или вторичного стандарта используется собственный раствор, полученный и стандартизованный в рамках другой лабораторной работы, то приводится ссылка на соответствующую страницу журнала.
§ Для оборудования, посуды и реактивов, используемых в качестве вспомогательных, достаточно общего описания (для растворов – номинальных концентраций).
5. Экспериментальные результаты
§ Результаты работы оформляются, как правило, в виде таблиц, содержащих исходные данные и результаты вычислений, каждая таблица должна иметь название. Экспериментальные данные последовательно заносятся в соответствующие столбцы таблицы; в верхней части столбца обязательно указывается наименование и единица измерения приведенной величины. Каждое число в таблице должно содержать не больше и не меньше значащих цифр, чем позволяет точность экспериментальных данных.
§ Приводятся все расчетные формулы (без вывода) как в символьном виде, так и с подставленными числами и рассчитываются результаты определения.
§ Если в работе используется несколько вариантов выражения исходной величины (например, концентрация, титр, условный титр), то результат анализа (например, массу) следует рассчитать по каждой из них.
6. Статистическая обработка результатов анализа
В этом разделе приводится обоснование выбраковки отдельных результатов анализа, являющихся грубыми ошибками (достаточно расчетов по Q-критерию). А также приводятся формулы (без вывода) и результаты расчета погрешности анализа.
Рассчитать:
– значение Q-критерия для максимального и минимального значений результатов измерения
– среднее значение результата анализа
– стандартное отклонение выборки
– коэффициент вариации выборки (относительное стандартное отклонение)
– стандартное отклонение среднего значения
– доверительный интервал среднего значения (для доверительной вероятности P=95%)
– относительную погрешность результата анализа.
– если в работе необходим расчет нескольких величин (титры, концентрации), то для каждой из них приводится доверительный интервал, рассчитанный из доверительного интервала или относительной погрешности непосредственно измеряемой величины.
7. Вывод
Вывод формулируется, исходя из цели работы, и содержит в себе результат анализа вместе с его абсолютной погрешностью, выраженной доверительным интервалом. В доверительном интервале достоверной является лишь одна значащая цифра (если эта цифра 1, то приводится две значащие цифры). Среднее значение измеряемой величины округляется до разряда, оставшегося в абсолютной погрешности после округления. Например, при определении концентрации серной кислоты вы получили среднее значение молярной концентрации 0.101235 моль/л и доверительный интервал (n=5, p=95%) 0.000855 моль/л. Конечный результат следует записать 0.1012±0.0009 моль/л.
Разделы 1-3 отчёта оформляются перед лабораторной работой, разделы 4-7 оформляются непосредственно на лабораторной работе. Отчет по лабораторной работе сдается преподавателю на проверку не позже, чем через неделю после выполнения работы.
Лабораторная работа 2
Определение теплоты реакции нейтрализации
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Освоить методику определения тепловых эффектов процессов.
Определить тепловой эффект при нейтрализации кислоты щелочью.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Тепловой эффект химической реакции
Как известно, каждое физико-химическое превращение вещества сопровождается превращением энергии. Для сопоставления изменения энергии при различных реакциях в термодинамике используются понятие теплового эффекта, т. е. количества теплоты, которое выделяется или поглощается в химическом процессе при условии равенства начальной и конечной температуры. Тепловой эффект обычно относят к молю реагирующего вещества и выражают в джоулях.
Тепловые эффекты отличаются друг от друга, если процессы происходят в закрытом сосуде (при постоянном объеме V=const) или в открытом сосуде (при постоянном давлении P=const).
Тепловой эффект при постоянном объеме равен убыли внутренней энергии: QVT= –∆UT, а при постоянном давлении – убыли энтальпии:
QРT= –∆НT
Тепловой эффект не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы при условии, что единственной работой, совершаемой системой, является работа против внешнего давления и что давление или объем в течении всего процесса остаются неизменными (закон Гесса). С помощью закона Гесса производят различные термохимические расчеты.
Тепловой эффект реакции нейтрализации
Согласно учению о водных растворах электролитов процесс нейтрализации сильной кислоты сильным основанием сводится к соединению ионов водорода с ионами гидроксида:
H++A−+Me++OH−→H2O+Me++A−
или:
H++OH−→H2O
Поэтому теплота нейтрализации эквивалентных количеств сильных кислот и основание при достаточном разбавлении одна и та же и равна
–57,22 кДж/моль.
Если при нейтрализации кислота или основание (или оба компонента) являются слабыми электролитами, то в этом случае протекают два процесса: процесс диссоциации слабого электролита и процесс нейтрализации:
(НА – слабый электролит)
Суммируя уравнения (1) и (2) получим,
НА+ОН−↔А−+Н2О+∆НХ
Следовательно:
∆НХ=∆НДИСС.+∆ННЕЙТР. (1)
Определив экспериментально ∆НХ и зная ∆ННЕЙТР., можно на основании уравнения (1) рассчитать ∆НДИСС.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Описание установки
Определение тепловых эффектов производят в специальных приборах, называемых калориметрами. В зависимости от характера процесса и реагирующих веществ применяют калориметры различных конструкций, но все калориметры содержат калориметрический сосуд, который защищается от потерь тепла и снабжен чувствительным ртутным тепломером или другим устройством для измерения температуры.
Для определения теплот реакций, протекающих в водных растворах, можно использовать калориметрическую установку, изображенную на рис.1.
Рис. 1. Схема калориметрической установки:
1 – наружный стакан; 2 – реакционный стакан; 3 – подставка; 4 – крышка; 5 – мешалка; 6 – термометр; 7 – воронка.
В стеклянный стакан (1) емкостью 0,5л, вставляют другой стакан (2) емкостью 0,3л. Стаканы между собой не должны соприкасаться во избежание потерь теплоты через стенки внутреннего калориметрического сосуда, для чего между ними помещают корковые прокладки. Внутренний стакан закрыт крышкой (4) с тремя отверстиями для проволочной мешалки (5), термометра (6) с ценной деления 0,10С и воронки (7) для смывания в калориметр вещества или наливания раствора.
Выполнение эксперимента и обработка результатов
Теплоту нейтрализации (∆ННЕЙТР) и теплоту диссоциации слабого электролита (∆НДИСС) определяют, проводя в калориметре поочередно две из следующих реакций:
|
I. 1) КOH+HNO3 2) NH4OH+HNO3 слабое осн. |
IV. 1) KOH+HCl 2) KOH+CH3COOH слабая кислота |
|
II. 1) NaOH+HNO3 2) NaOH+CH3COOH слабая кислота |
V. 1) NaOH+HCl 2) NaOH+CH3COOH слабая кислота |
|
III. 1) NaOH+HCl 2) NH4OH+HCl слабое осн. |
VI. 1) КOH+HNO3 2) NaOH+CH3COOH слабая кислота |
Во внутренний стакан калориметра налейте 50 – 100 мл 2н. раствора щелочи, поставьте стакан в калориметр и измерьте температуру раствора с точностью до 0,10С.
В другой стакан налейте 50мл 2н. раствора кислоты и также измерьте его температуру.
Определите начальную температуру tН как среднее арифметическое из температур растворов щелочи и кислоты.
При перемешивании через воронку быстро влейте раствор кислоты в калориметр. При этом следите за изменением температуры и отметьте самую высокую температуру tК.
Аналогично проведите в калориметре реакцию с участием любого электролита, проделав те же измерения и расчеты.
Результаты опытов оформите в виде таблицы.
Таблица.
|
№ п/п |
Реагенты |
tщел, 0С |
tкисл, 0С |
tн, 0С |
tк, 0С |
∆t, 0С |
c1, Дж/г·К |
m1, г |
c2, Дж/г·К |
m2, г |
∑ci·mi, Дж/К |
Q, кДж |
Количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся в калориметре, определяется по формуле:
Q=(tK-tH)·∑C; (2)
где tK– конечная температура;
tH– начальная температура;
∑C – теплоемкость системы, слагающая из теплоемкостей калориметрического сосуда и находящегося в нем вещества.
Теплоемкость системы равна
∑C=c1m1+c2m2, (3)
где с1 и m1 – удельная теплоемкость и масса реакционного сосуда;
с2 и m2 – те же величины для жидкости, находящейся в калориметре.
Для расчета теплоемкости системы по формуле (3) используйте следующие данные:
− теплоемкость стекла с1=0,753Дж/г·К;
− теплоемкость раствора (воды) с2=4,186Дж/г·К;
− плотность раствора (воды) ρ=1г/мл, Vр-ра=Vк-ты+Vщел.
Рассчитайте количество теплоты, выделившейся в калориметре, по формуле (2).
Используя значения Q, полученные в 1-ом и 2-ом опытах, рассчитайте тепловые эффекты реакций на 1 моль вещества:
Для I реакции:
, где γ=Сн∙V.
[кДж/моль]
Вычислите относительную ошибку опыта:
; ΔН0нейтр. теор.= – 57,22 кДж/моль.
Для II реакции:
.
Вычислите ΔН0диссоц. слабого электролита
Оформление отчета
1. Таблица результатов.
2. Под таблицей представить расчеты:
Для I реакции: молекулярное и ионно-молекулярное уравнение
а) Расчет Q нейтрализации.
б) Расчет
в) Расчет относительной ошибки.
Для II реакции: молекулярное и ионно-молекулярное уравнение
а) Расчет Q нейтрализации.
б) Расчет .
в) Расчет ΔН0диссоц. слабого электролита.
Контрольные вопросы и задачи
а) Н2О2; б) Н2SO4; в) О2; г) СаСО3; д) О3.
4. Укажите уравгнение реакции, ΔН0 которой является энтальпией образования соединения:
а) СаО(кр) + СО2(г) = СаСО3(кр);
б) С(кр) + 2Сl2(г) = ССl4(г);
в) СF4(г) = С(кр) + 2F2(г);
г) Сu2S(кр) + 2О2(г) = 2СuО(кр) + SO2(г).
5. При разложении 0,5 моль СО2 на простые вещества поглощается 196,7 кДж теплоты. Определите энтальпию образования СО2 (кДж/моль).
6. Вычислите стандартные изменения энтальпии в реакциях:
а) 4NH3(г) + 5О2(г) = 4NO(г) + 6Н2О(ж);
б) Fe2О3(кр) + 3СО(г) = 2Fe(кр) + 3СО2(г);
в) 3СН4(г) + СО2(г) + 2Н2О(ж) = 4СО(г) + 8Н2(г).
Лабораторная работа 3
Колориметрическое определение реакции среды
Теоретическая часть
Основные понятия
Дистиллированная вода в очень небольшой степени проводит электрический ток. Вода является слабым электролитом, ее молекулы диссоциируют на ионы. Электролитическая диссоциация воды:
H2O ↔ H+ + OH¯
2H2O ↔ H3O+ + OH¯
По закону действующих масс к обратному процессу диссоциации, можно записать выражение константы диссоциации воды. По величине электропроводности воды известна степень диссоциации воды, концентрация ионов H+ и OH¯, а также значение константы диссоциации:
Так как степень диссоциации воды очень мала, то концентрацию недиссоциированных молекул [H2O] можно считать постоянной и равной 55,56 моль.
Кдис[H2O] = [H+] [OH¯]=1.8*10-16*55.56
[H+] [OH¯]=1*10-14
Ионное произведение воды
Кводы = [H+] [OH¯]=1*10-14
При диссоциации молекулы воды получается один ион H+ и один ион OH¯, поэтому концентрации обоих ионов будут равны 10-7 моль/л: [H+]=[OH¯]= моль/л
Растворы, в которых концентрация ионов H+ равна концентрации ионов OH¯, называются нейтральными растворами.
Растворы, в которых концентрация ионов H+ больше концентрации ионов OH¯, являются кислыми растворами.
[H+]>[OH¯]>10-7
Растворы, в которых концентрация ионов H+ меньше концентрации ионов OH¯, являются щелочными растворами.
[H+]<[OH¯]<10-7
Следовательно, концентрация ионов водорода выступает в качестве характеристики среды.
а) Если [H+]=[OH¯]=10-7 моль/л – среда нейтральная
б) Если [H+]>[OH¯]>10-7 моль/л (например 10-4) – среда кислая
в) Если [H+]<[OH¯]<10-7 моль/л (например 10-12) – среда щелочная
Так как степенные выражения концентрации ионов H+ неудобны то их заменили логарифмическими функциями. Вместо концентрации ионов водорода для характеристики кислотности среды используют десятичный логарифм концентрации ионов H+, взятый с обратным знаком. Эту величина называется водородным показателем и её обозначают pH:
рH = - lg [H+]
а) Среда нейтральная
рН = -lg 10-7 = 7
б) Среда кислая
рН <7, например рН = -lg10-4 = 4
в) Среда щелочная
рН >7, например рН =-lg10-12 = 12
|
[H+] |
1,0 |
10-3 |
10-4 |
10-6 |
10-7 |
10-8 |
10-9 |
10-10 |
10-11 |
10-14 |
|
рН |
0 |
3 |
4 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
14 |
|
Характер раствора (среды) |
Кислый |
Слабо - кислый |
Нейтраль-ный |
Основной |
Щелочной |
14 < рН< 0
рН + рОН = 14
В качестве индикаторов используют органические вещества, изменяющие свою окраску в зависимости от концентрации ионов водорода в растворе. Для каждого индикатора имеется свой интервал значений рН, при котором изменяется его окраска. Наиболее распространены индикаторы: лакмус, фенолфталеин, метилоранж.
Практическая часть
Опыт №1. Окраска кислотно-щелочных индикаторов в кислой и щелочной среде
Пронумеровать 6 пробирок, в первые три налить по 1-2 мл 0,1 н. раствора HCl, в три другие налить по 1-2 мл 0,1М раствора KOH. Поместить пробирки в штатив и добавить в каждую по одной капле индикаторов. Отметить окраску взятых веществ в сильнокислой и сильнощелочной среде. Рассчитать значения рН в этих растворах. Записать результаты в таблицу.
HCl 0,1 н.=0,1 М
f=0,86
[H+]=0,086=8,6*10-2
pH= -lg[H+]=1,06
NaCl 0,1М
f=0,81
[OH-]=0,081
[H+]=10-14/8,1*10-2=1,2*10-12
pH= -lg[H+]=11,9
|
Номер пары пробирок |
Индикатор |
Наблюдаемая окраска |
|
|
В сильнокислой среде рН=1,06 |
В сильнощелочной среде рН=11,9 |
||
|
1 и 1а |
Фенолфталеин |
Бесцветный |
Малиновый |
|
2 и 2а |
Лакмус |
Розовый |
Синий |
|
3 и 3а |
Метилоранж |
Красный |
Желтый |
В результате проведения опыта мы выяснили, что для выявления нейтральной среды следует пользоваться метилоранжем или лакмусом, для щелочной фенолфталеином, для кислой метилоранжем или лакмусом.
Опыт №2 Определение рН раствора при помощи индикаторов
Получили у преподавателя раствор, у которого необходимо определить значение рН. В 3 пробирки налили 1-2 мл раствора и добавили по 1-2 капли каждого индикатора. Отметили цвет раствора в каждой пробирке. Сопоставили данные с таблицей и установили порядок величины рН в исследуемом растворе.
X + фенолфталеин = раствор помутнел
Х + метилоранж = оранжевый
Х + лакмус = фиолетовый
Из таблицы следует что значение рН находится в пределе от 6 до 8 следовательно среда нейтральная.
Опыт №3. определение рН раствора при помощи универсальной индикаторной бумаги
Получили у преподавателя образец вещества из опыта №2. опустили в него лакмусовую бумагу, после чего проверили ее цвет по цветной шкале из чего ее рН=6.
Вывод: с помощью нескольких индикаторов можем определить рН данного раствора
Опыт №4. Определение рН раствора уксусной кислоты на рН-метре
Приготовили 50 мл 0,1М раствора уксусной кислоты из 1М уксусной кислоты. Для этого расчетное количество 1М раствора отобрали пипеткой или мерным цилиндром, после чего перенесли в мерную колбу на 50 мл и добавили до метки дистиллированной воды. Приготовленный раствор перелили в стакан на 50 мл и измерили значение рН раствора на рН-метре. Так мы определили практическое значение рН раствора.
рНпрак=2,6
Вычисляем теоретическое значение рН 0,1М раствора уксусной кислоты, учитывая, что константа диссоциации уксусной кислоты К = 1,86*10-5.
1 моль 1 л
0,005 моль х
х=0.005 л
СН3СООН=СН3СОО++Н-
[H+]=сα=с=0,1 моль/л*=1,3*10-3
рНтеор=-lg[H+]=-lg(1,3*10-3)=2,8
Рассчитываем относительную ошибку опыта.
ŋ=%=2,8 – 2,6/2,8*100%=7,14 %
Опыт №5. Определение рН раствора гидроксида натрия на рН-метре
Из 5 мл 0,05М раствора гидроксида натрия и 45 мл дистилированной воды получено 50 мл 0,005М раствора гидроксида натрия. Измеренное в данном растворе при помощи рН-метра значение рН составляет 11,7
f = 0,9
аOH- = 0,005 * 0,9 = 0,0045
pOH = - lg 0,0045 = 2,35
pH = 11,6
= (0,01/11,6) * 100% = 0,086%
Опыт 6.Колориметрический буферный метод определения рН.
а) Ориентировочное определение рН исследуемой жидко сти по универсальному индикатору. Выбор буферной системы и индикаторов.
В чистую фарфоровую чешку наливают небольшое количе ство исследуемого раствора и с помощью универсальной ин дикаторной бумажки, пользуясь цветной шкалой, определяют приблизительное значение рН. Затем, пользуясь таблицей 1, выбирают индикатор и буферную смесь для приготовления растворов–эталонов и после этого занимают соответствующее рабочее место. Индикатор выбирают так, чтобы в зону переме ны окраски его попадала ориентировочно найденная величи на рН раствора.
Таблица 1. Значения рН буферных смесей – эталонов
|
Индикатор (зона перехода) |
Название буферных систем |
Объем, мл |
рН |
|
|
соли |
кислоты |
|||
|
Тимоловый синий (1,1–2,8) |
Цитратная (лимонная) |
1,0 2,5 |
4,0 2,5 |
2,3 2,9 |
|
Метилоранж (3,0–4,4) |
3,5 4,0 4,5 |
1,5 1,0 0,5 |
3,3 3,5 3,9 |
|
|
Метиловый красный (4,2–6,3) |
Ацетатная |
1,0 2,5 3,5 4,0 4,5 |
4,0 2,5 1,5 1,0 0,5 |
4,1 4,7 5,1 5,3 5,7 |
|
Бромтимоловый синий (6,0–7,6) или нейтральрот (6,5 – 8,0) |
Фосфатная |
1,0 2,5 3,5 4,0 4,5 |
4,0 2,5 1,5 1,0 0,5 |
6,2 6,8 7,2 7,4 7,7 |
б) Приготовление эталонов и определение рН исследуе мой жидкости.
В чистых пронумерованных пробирках из бесцветного стекла и одинакового диаметра, пользуясь таблицей 1, гото вят пять соответствующих буферных растворов-эталонов, за тем в каждую из пробирок добавляют по 3 капли выбранного индикатора и растворы-эталоны перемешивают. В отдельную пробирку отмеривают пипеткой 5 мл исследуемого раствора, добавляют 3 капли того же индикатора и после перемешива ния сравнивают окраску с окраской растворов–эталонов.
Примечание. При работе с цитратным буфером исследуемый раствор отмеривают в две пробирки и добавляют в них различные индикаторы (см. табл. 1), чтобы затем сравнивать окраску в каждой из них с соответствующими эта лонами. При сравнивании окраски растворов следует пробирки поставить на белый лист бумаги и смотреть на растворы сверху. Значение рН исследуемой жидкости равно значению рН раствора–эталона, если их окраска совпадает.
Работу оформите в виде таблицы 2.
Таблица 2
|
Ориентировочная величина рН по универсальному индикатору |
Выбранный индикатор (указать зону перехода) |
Буферные растворы – эталоны |
Точная величина рН |
|||
|
Название и формулы компонентов |
Состав (мл) |
|||||
|
соль |
кис-лота |
рН |
||||
Опыт 7.Определение рН раствора при помощи фотоколориметра КФК- 2МП.
а) Подготовка фотоколориметра КФК–2МП к работе в цик лическом режиме.
Общий вид прибора:
|
9 |
7 6 4 1 – колориметр 2 – микропроцессорная система 3 – фотоприемник 4 – ручка смены кювет 5 – крышка кюветного отделения 6 – светофильтры 7 – сигнальная лампочка 8 – сеть 9 – пуск |
2 1 5 3 |
1. Присоедините прибор к сети, откройте крышку кювет ного отделения (5) и на задней панели прибора слева вклю чите тумблер «сеть» (8), при этом должна загореться сигналь ная лампа (7) (на цифровом табло могут появиться различные символы).
2. Нажмите клавишу «пуск» - на цифровом табло появля ется мигающая запятая и горит индикатор «р». Если запятая не появилась, повторно нажмите клавишу «пуск».
3. Выдержите колориметр во включенном состоянии в течение 15 мин. при открытой крышке кюветного отделения.
4. Ручкой (6) установите светофильтр 440 нм, а ручкой (3) — фотоприемник 315–540. Выдержите прибор с закрытой крышкой 5 мин. Если положение ручек (3) и (б) уже было установлено, как указано, операции п.4 можно опустить.
5. Измерение и учет темнового тока «n0». Крышку кюветного отделения закройте и через несколь ко секунд откройте опять. Через 5 с. нажмите клавишу «Ш (0)». На цифровом табло справа от мигающей запятой высвечивает ся значение n0, а слева – символ «0». Значение n0 необ ходимо для внутренней калибровки прибора, для расчетов вам оно не потребуется. Однако, если оно выходит за пределы промежутка от 0.001 до 1.000, следует пригласить преподавателя. После выполнения пунктов 1–5 прибор готов к работе. Крышку кюветного отделения следует оставить открытой.
б) Выбор индикатора и подготовка растворов для фотоэлектроколориметрирования.
1. В чистый фарфоровый тигелек пипеткой (на 10 мл) отмеряют 1 мл исследуемого раствора, добавляют 1 капли раствора универсального индикатора и, сравнивая получившуюся окраску раствора с цветной шкалой для универсального индикатора (приколота к полке), находят примерную величину рН раствора с точностью до 0.5 и записывают в протокол (таблицу).
2. Выбирают один из одноцветных индикаторов ряда нитрофенола (см. таблицу 3). Индикатор выбирают так, чтобы ориентировочно найденная по универсальному индикатору вели чина рН оказалась в пределах (примерно в средней части) зоны перехода окраски индикатора.
Таблица 3
|
№ п/п |
Индикатор |
Точка перехода окраски индикатора рК |
Зона перехода окраски индикатора |
|
I. |
-динитрофенол |
4,05 |
2,8–4,5 |
|
2. |
γ-динитрофенол |
5,15 |
4,0–5,5 |
|
3. |
п-нитрофенол |
6,18 |
5,2–7,0 |
|
4. |
т-нитрофенол |
8,31 |
6,7–8,4 |
3. В пробирку № 1 с помощью бюретки отмерьте 6 мл раствора карбоната натрия, а в пробирку № 2 — 6 мл исследуемого раствора (пипеткой). В обе пробирки добавляют пи петкой (на 1 мл) точно по 1 мл раствора выбранного индика тора. Содержимое пробирок хорошо перемешивают стеклянными палочками.
4. Одну из кювет прибора (с меткой "В" на дне кюветы) заполните растворителем (дист. водой), другую (с меткой "И") — щелочным раствором выбранного индикатора (проба № 1), а третью (с меткой "З") — исследуемым раствором (проба № 2),предварительно сполоснув эти кюветы небольшим объемом соответствующих растворов.
Примечание: Жидкости в кюветы наливают до метки по нижнему мениску. Рабочие поверхности кювет тщательно протирают сухой чистой марлей. При работе с кюветами нельзя касаться рабочих поверхностей кювет.
б) Измерение оптической плотности растворов в циклическом режиме (с периодом 5 с).
В дальнее гнездо кюветного отделения установите кювету с растворителем (дист. водой), а в ближнее — кю вету со щелочным раствором выбранного индикатора (толщина поглощающего слоя кювет 1 см).
Закройте крышку кюветного отделения. Ручку (4) установите в положение "1" (в световой пучок вводится кю вета с растворителем).
Нажмите клавишу "Пуск" и "Ц/Р". Вы выбрали цикли ческий режим работы, о чем свидетельствует загорание инди катора "Ц" справа от табло. Прибор готов к выполнению измерений в цикле с интервалом в 5 с.
Нажмите клавишу "К(1)". На цифровом табло слева от мигающей запятой высвечивается символ "1". Это означает, что прибор измерил оптическую плотность раствора сравнения (дистиллированная вода).
Поверните ручку (4) из положения "1" в положение "2" (в световой пучок введена кювета с раствором индикатора).
Нажмите клавишу "Д(5)". На цифровом табло слева от мигающей запятой появляется символ "5", а справа — с интервалом 5 с. высвечивается значение измеренной величины оптической плотности раствора индикатора Динд.. Данные измерений заносят в таблицу 4.
Откройте крышку кюветного отделения. Вместо кюветы с раствором индикатора поставьте кювету с исследуемым раствором (из пробирки № 2) и произведите замеры оптической плотности Диссл., повторив операции по пунктам раздела б). Пригласите преподавателя для проверки результатов работы .
Окончание работы.
1. Отключить тумблер "сеть" на задней панели прибора, выключить прибор из сети.
2. Вымыть кюветы дистиллированной водой и протереть марлей досуха (снаружи) рабочие поверхности кювет.
3. Вымыть пробирки, тигелек и пипетки. Рабочее.место привести в порядок.
Оформление отчета по работе:
1. По формуле α = рассчитать степень диссоциации индикатора в исследуемом растворе
2. По уравнению рН = рК + lgрассчитайте рН исследуемого раствора, где рК — точка перехода окраски индикатора (см. табл. 3).
Таблица 4
|
1. |
Ориентировочное значение рН раствора |
|
|
2 |
Выбранный индикатор (название, зона перезода окраски, рК) |
|
|
3. |
Оптическая плотность раствора индикатора Динд |
1. 2. 3. 4. 5. ──── ср.= |
|
4. |
Оптическая плотность исследуемого раствора Диссл |
1. 2. 3. 4. 5. ──── ср.= |
|
5. |
Степень диссоциации индикатора в растворе α |
|
|
6. |
рН исследуемого раствора |
Контрольные вопросы и задачи
Лабораторная работа 4
Растворы. Растворимость. Концентрация растворов. Приготовление растворов заданного состава
Теоретическая часть
Растворы играют важную роль в живой и неживой природе, а также в науке и технике.
Большинство физиологических процессов в организмах человека, животных и в растениях, различных промышленных процессов, биохимических процессов в почвах и т.п. протекают в растворах.
Раствор – это гомогенная многокомпонентная система, в которой одно вещество распределено в среде другого или других веществ.
Растворы могут быть в газообразном (воздух), жидком и твердом (сплавы, цветные стекла) агрегатных состояниях. Чаще всего приходится работать с жидкими растворами.
Содержание данного вещества в единице массы или объема раствора называется концентрацией раствора. На практике наиболее часто пользуются следующими способами выражения концентрации:
1. Массовая доля – отношение массы данного компонента в растворе к общей массе этого раствора. Массовая доля может быть выражена в долях единицы, процентах (%), промилле (тысячная часть %) и в миллионных долях (млнˉ1). Массовая доля данного компонента, выраженная в процентах, показывает, сколько граммов данного компонента cодержится в 100 г раствора.
2. Массовая концентрация – отношение массы компонента, содержащегося в растворе, к объему этого раствора. Единицы измерения массовой концентрации кг/м3, г/л.
3. Титр Т – число граммов растворенного вещества в 1 мл раствора. Единицы измерения титра – г/мл, кг/см3.
4. Молярная концентрация с – отношение количества вещества (в молях), содержащегося в растворе, к объему раствора. Единицы измерения - моль/м3, (моль /л). Раствор, имеющий концентрацию 1 моль/л, обозначают 1 М; 0,5 моль/л, обозначают 0,5 М.
5. Молярная концентрация эквивалентов сэк (нормальная концентрация) – это отношение количества вещества эквивалентов (моль) к объему раствора (л). Единица измерения нормальной концентрации моль/л. Например, сэк(KOH) = 1 моль/л, сэк(1/2H2SO4) = 1 моль/л, сэк(1/3 AlCl3) = 1 моль/л. Раствор в 1 л которого содержится 1 моль вещества эквивалентов, называют нормальным и обозначают 1 н.
6. Моляльность b - это отношение количества растворенного вещества (в молях) к массе m растворителя. Единица измерения моляльности - моль/кг. Например, b(HCl/H2O) = 2 моль/кг.
7. Молярная доля – отношение числа молей растворенного вещества к общему числу молей вещества и растворителя. Молярная доля может быть выражена в долях единицы, процентах (%),промилле (тысячная часть %) и в миллионных долях (млн-1).
Для приготовления растворов определенной концентрации, для точного измерения объемов применяют мерную посуду: мерные колбы, пипетки и бюретки.
Мерные колбы – тонкостенные плоскодонные сосуды с длинным узким горлом, на котором нанесена метка в виде кольцевой черты. На каждой колбе обозначены ее емкость и температура, при которой эта емкость измерена. Колба должна плотно закрываться пробкой (рис.1).
Пипетки используют для отбора определенного объема пробы жидкости.
Пипетки Мора представляют собой стеклянные трубки с расширением посередине. Нижний конец оттянут в капилляр, на верхнем конце нанесена метка, до которой следует набирать измеряемую жидкость. На пипетке указана объемность. Широко применяют также градуированные пипетки различной емкости, на наружной стенке которых нанесены деления. Для наполнения пипетки нижний конец ее опускают в жидкость и втягивают последнюю при помощи груши или специального приспособления. Жидкость набирают так, чтобы она поднялась на 2-3 см выше метки, затем быстро закрывают верхнее отверстие указательным пальцем правой руки, придерживая в то же время пипетку большим и средним пальцами. Затем ослабляют нажим указательного пальца, в результате чего жидкость будет медленно вытекать из пипетки. В тот момент, когда нижний мениск (уровень) жидкости окажется на одном уровне с меткой, палец снова прижимают. Введя пипетку в сосуд, отнимают указательный палец и дают жидкости стечь по стенке сосуда. После того, как жидкость вытечет, пипетку держат еще 5секунд прислоненной к стенке сосуда, слегка поворачивая вокруг оси.
Бюретки применяют при титровании, для измерения точных объемов и т.д.
Рис. 1 Мерная посуда
а - мерная колба; б – пипетки; в – бюретка.
Объемные бюретки – это стеклянные трубки с несколько оттянутым нижним концом или снабженным краном. На наружной стенке по всей длине бюретки нанесены деления в 0,1 мл. К оттянутому концу бескрановой пипетки с помощью резиновой трубки закладывают стеклянную бусинку. Бюретку заполняют жидкостью через воронку. Затем открывают кран и зажим, чтобы заполнить раствором часть бюретки, расположенной ниже крана или зажима до нижнего конца капилляра. Бюретку заполняют так, чтобы вначале уровень жидкости был несколько выше нулевого деления шкалы. Затем, осторожно приоткрывая кран, устанавливают уровень жидкости на нулевое деление. Каждое титрование следует начинать только после заполнения бюретки до нуля.
Для менее точного измерения объемов жидкости используют мерные цилиндры и мензурки (рис.2)
Рис. 2 Мерные цилиндры и мензурка
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ОПЫТ 1. ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРА ХЛОРИДА НАТРИЯ С ЗАДАННОЙ МАССОВОЙ ДОЛЕЙ СОЛИ (%) РАЗБАВЛЕНИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО РАСТВОРА.
Как известно, плотность - это масса вещества в единице объема, ρ = m/v. Зная плотность, можно по таблице определить массовую долю (%) раствора.
Определить плотность раствора можно многими способами. Из них наиболее простой и быстрый – с помощью ареометра (рис.3).
Его применение основано на том, что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор, пока масса вытесненной им жидкости не станет, равна массе самого тела (закон Архимеда). В расширенной нижней части ареометра помещен груз, на узкой верхней части – шейке - нанесены деления, указывающие плотность жидкости, в которой плавает ареометр. Концентрацию исследуемого раствора находят, пользуясь табличными данными о плотности в зависимости от концентрации раствора. Плотность водных растворов хлорида натрия приведена в табл.1.
Рис. 3 Ареометр и отсчет по его шкале
Выполнение опыта. В мерный цилиндр наливают раствор хлорида натрия и ареометром определяют его плотность. По таблице 1 находят концентрацию исходного раствора [ в % ( масс) ].
Таблица 1.
Плотность и процентное содержание растворов хлорида натрия.
|
Концентрация, %
|
Плотность*10-3, кг/м3, при температуре |
Концентра-ция, %
|
Плотность*10-3, кг/м3, при температуре |
||
|
100С |
200С |
100С |
200С |
||
|
1 |
1,0071 |
1,0053 |
14 |
1,1049 |
1,1008 |
|
2 |
1,0144 |
1,0125 |
15 |
1,1127 |
1,1065 |
|
3 |
1,0218 |
1,0196 |
16 |
1,1206 |
1,1162 |
|
4 |
1,0292 |
1,0268 |
17 |
1,1285 |
1,1241 |
|
5 |
1,0366 |
1,0340 |
18 |
1,1364 |
1,1319 |
|
6 |
1,0441 |
1,0413 |
19 |
1,1445 |
1,1398 |
|
7 |
1,0516 |
1,0486 |
20 |
1,1525 |
1,1478 |
|
8 |
1,0591 |
1,0559 |
21 |
1,1607 |
1,1559 |
|
9 |
1,0666 |
1,0633 |
22 |
1,1689 |
1,1639 |
|
10 |
1,0742 |
1,0707 |
23 |
1,1772 |
1,1722 |
|
11 |
1,0819 |
1,0782 |
24 |
1,1856 |
1,1804 |
|
12 |
1,0895 |
1,0857 |
25 |
1,1940 |
1,1888 |
|
13 |
1,0972 |
1,0933 |
26 |
1,2025 |
1,1972 |
Рассчитывают, сколько миллилитров исходного раствора и воды следует взять для приготовления 250 мл 5% раствора. Воду отмерить цилиндром и вылить в мерную колбу объемом 250мл. Исходный раствор поваренной соли отмеряют цилиндром на 100 мл и вливают в колбу с водой. Раствор в колбе перемешивают. Цилиндр ополаскивают небольшим объемом раствора из колбы, который затем присоединяют к общей массе раствора в колбе. Проверить плотность и концентрацию полученного раствора. Рассчитать относительную ошибку δотн
δотн = %,
где С – заданная концентрация,
С1- полученная концентрация.
Сделайте расчет молярной концентрации молярной концентрации эквивалентов и титра, приготовленного раствора. Результаты запишите в таблицу 2.
Таблица 2.
Опытные данные
|
Заданная массовая доля, (%) |
Плотность,ρ, кг/м3 |
Рассчитанные массы компонентов, г |
Плотность экспериментальная, ρ, кг/м3
|
Экспериментальные концентрации |
δотн |
|||||
|
NaCl
|
H2O
|
|||||||||
|
с, % |
с, М |
сэк, н |
T, г/мл |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ПРИМЕР 1. Приготовить 0,5 л 20% раствора H2SO4, исходя из концентрированного раствора, плотность которого 1,84 г/см3.
По таблице находим, что плотности 1,84 г/см3 соответствует кислота с содержанием 96% H2SO4, а 20% раствору соответствует кислота с плотностью 1,14 г/см3.
Вычислим количества исходной кислоты и воды, требующиеся для получения заданного объема раствора.
Масса его составляет 5001,14 = 570 г, а содержание в нем H2SO4 равно
г.
Вычислим, в каком объеме исходной 96% кислоты содержится 114 г H2SO4:
1 мл исходной кислоты содержит г H2SO4
х мл исходной кислоты содержит 114 г H2SO4
мл
Таким образом, для приготовления 500мл 20% раствора H2SO4 необходимо взять 64,6 мл 96% раствора.
Количество воды определяется как разность весов полученного исходного раствора, а именно мл
ОПЫТ 2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРА ЗАДАННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ СМЕШИВАНИЕМ РАСТВОРОВ БОЛЕЕ ВЫСОКОЙ И БОЛЕЕ НИЗКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ.
Раствор можно готовить, непосредственно вводя рассчитанное количество вещества в растворитель, или путем разбавления более концентрированных растворов до требуемого значения концентрации.
ПРИМЕР 2. Приготовить 100г 36% раствора H3PO4, смешав 44% и 24% растворы этой кислоты.
I СПОСОБ РАСЧЕТА:
Обозначим через х количество граммов 44% раствора, которое следует добавить к (100-х) граммам 24% раствора для получения 100г 36% раствора H3PO4. Составим уравнение:
откуда
Следовательно, необходимо взять 60г 44% раствора и 100 - х = 40г 24% раствора.
II СПОСОБ РАСЧЕТА:
Он называется "правилом креста". Если в левый угол воображаемого прямоугольника поместить более высокую концентрацию – 44, а в нижний левый – меньшую концентрацию –24, а в центре - концентрацию получаемого смешанного раствора – 36 и затем вычесть по диагонали из большего числа меньшее, то отношение разностей 12 : 8 = 3 : 2 покажет в каком весовом соотношении следует смешать исходные растворы для получения раствора заданной концентрации.
Так, для получения 100г 36% раствора достаточно смешать 60г 44% раствора и 40 г 24% раствора.
Определив по таблице плотности исходных растворов – 1,285 г/см3 (для 24% раствора) находим, что объемы их соответственно составляют:
мл 44% раствора H3PO4
мл 24% раствора H3PO4
В общей форме "правило креста" имеет вид:
где а и в соответственно большая и меньшая исходные концентрации;
с - концентрация смешанного раствора;
- показывает, в каком массовом соотношении следует смешать исходные растворы.
Выполнение опыта. Приготовить 250 мл 10 % раствора хлорида натрия, имея в своем распоряжении 15 % и 5 % раствор NaCl.
Учитывая плотности приготовляемого и исходных растворов рассчитать объемы 15 % и 5 % раствора (см. пример 2). Отмерить вычисленные объемы исходных растворов, слить в колбу на 250 мл, закрыть колбу пробкой и тщательно перемешать раствор, перевернув колбу несколько раз вверх дном. Отлить часть раствора в цилиндр, измерить ареометром плотность приготовленного раствора и по табл.1 найти его концентрацию (в %). Установить расхождение практически полученной концентрации с заданной. Рассчитать относительную ошибку δотн.
ОПЫТ 3. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ВОДНОГО РАСТВОРА ХЛОРИДА НАТРИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССОВОЙ ДОЛИ И РАСЧЕТ НАВЕСКИ.
Получить навеску соли хлорида натрия у преподавателя. При помощи воронки перенести данную навеску в мерную колбу емкостью 250 мл. Промывалкой обмыть внутреннюю часть воронки небольшим количеством воды. Растворить соль в воде. Затем, добавляя воду небольшими порциями, довести уровень воды в колбе до метки, закрыть колбу пробкой и тщательно перемешать, переворачивая вверх дном. Замерить плотность полученного раствора ареометром. Для этого раствор перелить в мерный цилиндр. Уровень жидкости должен быть ниже края цилиндра на 3-4 см. Осторожно опустите ареометр в раствор. Ареометр не должен касаться стенок цилиндра. Отсчет плотности по уровню жидкости производите сверху вниз. По таблице 1 найдите и запишите массовую долю (в %) раствора, отвечающую этой плотности. Рассчитать количество хлорида натрия взятого для приготовления 250 мл раствора.
ПРИМЕР. Пусть плотность приготовленного раствора хлорида натрия ρ=1,0053г/см3 . Это соответствует 1% концентрации раствора. Следовательно, в100г раствора содержится 1г NaCl. Определим массу 250 мл раствора
=
Исходя из того, что в 100г раствора содержится 1г NaCl, узнаем, сколько грамм NaCl содержится в 201,315г раствора:
100 г раствора - 1 г NaCl
201,315 г раствора - х г NaCl
х =г NaCl
Таким образом, была взята навеска NaCl массой 2,0131 г.
Лабораторная работа 5
Буферные смеси
Теоретическая часть
Буферные растворы сохраняют постоянство концентрации водородных ионов в определенных для каждого раствора пределах при добавлении к ним небольших количеств кислот или щелочей, а также при разбавлении этих растворов.
Буферные растворы – это смеси слабых кислот с солями этих кислот и сильных оснований (например, HCOOH + HCOONa) или смеси слабых оснований с солями этих оснований и сильных кислот (например, NH4OH + NH4Cl). Буферным действием обладают также смеси солей многоосновной кислоты, константы диссоциации которой по разным стадиям сильно отличаются друг от друга. Например, в буферном растворе, содержащем NaHCO3 и Na2CO3, первая соль играет рол слабой кислоты, а вторая – ее соли.
В качестве буферного раствора рассмотрим смесь уксусной кислоты и ацетата натрия. В растворе уксусной кислоты существует равновесие:
CH3COOH ↔CH3COO- + H+.
Согласно закону действующих масс:
K= , (1)
где К – константа электролитической диссоциации кислоты.
Отсюда находим значение концентрации водородных ионов:
. (2)
Степень электролитической диссоциации уксусной кислоты очень незначительна, поэтому в растворе преобладают ее недиссоциированные молекулы.
Добавление к водному раствору уксусной кислоты ее натриевой соли, почти нацело распадающейся в водных растворах на составляющие ее ионы
CH3COONa →CH3COO- + Na+,
настолько подавляет электролитическую диссоциацию уксусной кислоты, что концентрация недиссоциированных молекул будет практически равна концентрации кислоты.
Тогда в формуле (2) концентрацию недиссоциированных молекул [CH3COOH] можно заменить на концентрацию кислоты СК.
Находящийся в растворе ацетат натрия гидролизуется:
CH3COO- +H2O ↔ CH3COOH + OH-.
Однако уксусная кислота подавляет гидролиз, и равновесие реакции гидролиза смещается в сторону образования ацетат-ионов. Поэтому можно считать, что концентрация ацетат-ионов равна концентрации соли и заменить [CH3COO-] на СС.
Следовательно
. (3)
pH =pK + lg. (4)
Величина К (константа электролитической диссоциации кислоты) при данных условиях постоянна. Поэтому значение концентрации водородных ионов будет определяться отношением концентраций кислоты и соли, взятых для приготовления буферной смеси.
Применяя такие же рассуждения для смеси слабого основания и соли сильной кислоты, можно вывести можно уравнение:
. (5)
pOH =pK + lg;
pH = 14 – POH;
pH = 14 – pK – lg. (6)
Из уравнения (3) следует, что концентрация водородных ионов буферных растворов не зависит от абсолютного значения концентрации кислоты и соли, а лишь от их отношения. Вследствие этого при разбавлении буферного раствора концентрация водородных ионов практически не изменяется.
В отличие от раствора, содержащего только кислоту (или только основание), буферная смесь сильно ослабляет возможность изменения концентрации водородных ионов в ту или иную сторону.
Таким образом, буферные смеси обладают следующими свойствами:
1. концентрация водородных ионов буферных смесей не зависит от разбавления, что непосредственно вытекает из уравнения (3), в которое входят не абсолютные концентрации кислоты и соли, а их отношение;
2. добавление к буферным смесям небольших количеств сильной кислоты или основания очень мало изменяет концентрацию в них ионов водорода (в пределах буферной емкости раствора).
Численное значение буферной емкости определяется количеством сильной кислоты или основания, которое необходимо добавить к 1л буферного раствора, чтобы изменить значение рН на единицу:
B= , (7)
где B – буферная емкость, моль/л;
νк – количество добавленной кислоты (или основания), моль;
(pH2 – pH1) – изменение pH при добавлении кислоты (или основания);
VБУФ – объем буферного раствора, л (мл);
CK – молярная концентрация добавленной кислоты (или основания), моль/л;
VK – объем добавленной кислоты (или основания), л (мл).
Практическая часть.
Опыт 1. Приготовление буферных смесей.
В семи пробирках готовят ацетатные буферные смеси из растворов уксусной кислоты и ее соли с молярной концентрацией эквивалента 0.1 моль/л, объёмы которых указаны в таблице.
|
№ пробирки |
Состав буферной смеси, мл |
рН смеси (расчетн) |
Окраска после прибавления индикатора (метилового красного 4.2–6.3) |
|
|
СН3СООН 0.1 моль |
СН3СООNa 0.1 моль/л |
|||
|
1 2 3 4 5 6 7 |
9 7 5 3 1 0.5 0.2 |
1 3 5 7 9 9.5 9.8 |
В каждую пробирку прибавляют по 3 капли индикатора метилового красного, перемешивают и сравнивают окраску буферных смесей при хорошем освещении, на белом фоне, глядя сверху вниз сквозь раствор. Окраску растворов отмечают в таблице.
Затем рассчитывают С(Н+)и рН одного из буферных растворов (по указанию преподавателя), результат расчета записывают в таблицу. Значения С(Н+)и рН для остальных шести растворов получают у преподавателя. Чертят на миллиметровой бумаге буферную кривую, показывающую связь рН буферного раствора с объёмом одного из его компонентов. По оси ординат откладывают 10 единиц масштаба (1 мл CH3COONa = 1 см), принимая начало координат за 0. По оси абсцисс, принимая начало координат равным 3, откладывают область значений рН от 3 до 7 (единица рН = 2 см).
Пример расчета рН буферной смеси.
Рассчитать рН буферной смеси, состоящей из раствора СН3СООН объёмом 4.5 мл и молярной концентрацией эквивалента С(СН3СООН) = 0.1 моль/л и раствора СН3СООNa объемом 5.5 мл с молярной концентрацией эквивалента С(СН3СООNa) = 0.1 моль/л
С(Н+) = Кд ∙ = Кд∙
рН = -lg C(H+), откуда рН = -lg Кд + lg
рН =-lg(1,8 ∙ 10-5) + lg = -(lg1,8 – 5 ) + 0,0872 =
=4,8319 4,83
Оформление работы:
Привести таблицу и расчеты С(Н+) и рН указанного буферного раствора.
Вклеить график «Буферная кривая».
Опыт 2. Определение буферной емкости буферного раствора.
Получают у преподавателя исследуемый раствор с известным значением рН0 (записать в тетради).
В две чистые колбы отмеряют пипеткой по 10 мл исследуемого раствора. В одну колбу добавляют 2 капли фенолфталеина и титруют рабочим раствором NaОН с молярой концентрацией эквивалента С(1NaOH) = 0.1 моль/л до появления слабо-розовой окраски, рН раствора при этом станет равным 8.4 (рНщ). В другую колбу добавляют 1 каплю метилоранжа и титруют рабочим раствором HCl = 0.1 моль/л до появления оранжево-розовой окраски, рН раствора при этом станет равным 3.4 (рНк).
Вычисляют буферную емкость раствора по отношению к кислоте (Вк) и щелочи (Вщ) и результат проверяют у преподавателя. Вк и Вщ рассчитывают с точностью до трех значащих цифр и округляют до двух.
Вщ = , моль/л; Вк = , моль/л
где Vщ, Vк – объемы (в мл) рабочего раствора щелочи или кислоты, затраченный на титрование V мл исследуемого буферного раствора;
Сщ, Ск– молярная концентрация эквивалента рабочего раствора щёлочи или кислоты.
Оформление работы:
Указать рН0 буферного раствора; Vщ, рНщ и индикатор; Vк, рНк и индикатор; привести расчет Вщ и Вк и вывод, указав, во сколько раз Вщ больше (или меньше), чем Вк.
Расчет общей, активной и потенциальной кислотности буферного раствора.
Для расчетов используют данные (рН0 и Vщ) для буферного раствора, полученного у преподавателя при определении буферной ёмкости.
Общая кислотность равна общей концентрации кислоты (С0), выраженной через молярную концентрацию эквивалента и определяемой титрованием рабочим раствором щелочи.
С0 = , моль/л;
Активная кислотность равна концентрации ионов водорода С(Н+) и рассчитывается из значений рН0 буферного раствора.
Пример расчета С(Н+).
Вычислить С(Н+) раствора с рН0 = 5,6.
рН = –lgC(H+) = 5,6; lgC(H+) = –5,6; C(H+) = 10-5,6 = 2,51 ∙ 10-6 моль/л.
Потенциальная кислотность равна концентрации недиссоциированных молекул кислоты, т.е. разности между общей и активной кислотностями.
Спот = Собщ – С(Н+)
Индикаторы
|
Индикаторы |
рК |
Зона перехода |
|
Метиловый оранжевый |
3,7 |
3,1–4,4 |
|
Метиловый красный |
5,1 |
4,2–6,3 |
|
п-нитрофенол |
— |
5,2–7,0 |
|
Фенолфталеин |
9,7 |
8,3–10,0 |
Контрольные вопросы и задачи
Лабораторная работа 6
Гидролиз солей. Характеристика среды растворов. Индикаторы
Теоретическая часть
В результате гидролиза солей образуется либо кислота (кислая соль) и основание, либо основание (основная соль) и кислота. Следовательно, процесс гидролиза соли можно рассматривать как процесс, обратный реакции нейтрализации. Так как реакции нейтрализации обычно идут практически до конца (практически необратимо), то равновесие реакции гидролиза смещено в сторону реагирующих веществ. Концентрация продуктов гидролиза соли, как правило, мала.
Гидролиз солей, образованных сильным основанием и слабой кислотой.
Гидролиз ацетата натрия CH3COONa.
В водном растворе:
CH3COONa CH3COO– + Na+
H2O H+ + OH–
Ионы CH3COO– и H+ связываются, образуя слабую малодиссоциированную уксусную кислоту и вызывая смещение равновесия диссоциации воды вправо, в сторону увеличения концентрации OH–.
Уравнение реакции гидролиза ацетата натрия:
CH3COONa +H2OCH3COOH + NaOH
в ионной форме:
CH3COO– + Na+ + H2O CH3COOH + Na+ +OH–,
CH3COO–+ H2OCH3COOH +OH–,
Реакция среды при гидролизе соли, образованной сильным основанием и слабой кислотой, – щелочная.(pH>7).
Эта соль образована сильным основанием и трехосновной слабой кислотой. Гидролиз солей, образованных многоосновными слабыми кислотами, проходит ступенчато:
I ступень:
K3PO4+ H2O K2HPO4 + KOH
K3PO4 3K+ + PO43–
= HPO42–
H2O OH– + H+
PO43– + H2O HPO42– +OH–,
II ступень:
K2HPO4+ H2O KH2PO4 + KOH
K2HPO4 2K+ + HPO4–
= H2PO4–
H2O OH– + H+
H2PO42– + H2O H2PO4– +OH–,
III ступень:
KH2PO4+ H2O H3PO4 + KOH
KH2PO4 K+ + H2PO4–
= H3PO4
H2O OH– + H+
H2PO4– + H2O H3PO4 +OH–,
Наиболее полно гидролиз протекает по I ступени и практически не протекает по второй и третьей.
Так как равновесие реакции гидролиза сильно смещено в сторону реагирующих веществ, то в растворе при обычных условиях обнаруживаются лишь продукты гидролиза по I ступени. Лишь при условиях, особо благоприятствующих гидролизу, можно обнаружить продукты II и III ступеней гидролиза.
Гидролиз солей, образованных слабым основанием и сильной кислотой.
Гидролиз нитрата аммония NH4NO3.
Нитрат аммония диссоциирует на ионы NO3– и ионы NH4+. Ионы NH4+ связывают ионы OH– воды, вызывая смещение равновесия диссоциации воды в сторону увеличения концентрации H+ – ионов в растворе.
NH4NO3 NO3 + NH4+
= NH4OH
H2O H+ + OH–
Уравнение гидролиза в молекулярной форме:
NH4NO3 + H2O NH4OH + HNO3;
В ионной форме:
NH4++ NO3– + H2O NH4OH + H+ + NO3–
NH4+ + H2O NH4OH + H+
Реакция среды при гидролизе соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой, – кислая ( рН<7).
Гидролиз сульфата цинка ZnSO4.
Сульфат цинка образован сильной кислотой и слабым двухкислотным основанием. Гидролиз этой соли может протекать по 2 ступеням, хотя при обычных условиях практически ограничивается лишь I ступенью.
I ступень:
2ZnSO4 + 2H2O (ZnOH)2SO4 + H2SO4
ZnSO4 SO42– + Zn2+
= ZnOH+
H2O H+ + OH–
Zn2+ +H2O ZnOH+ + H+
II ступень:
(ZnOH)2SO4 + 2H2O 2Zn(OH)2 + H2SO4
(ZnOH)2SO4 SO42– + 2 ZnOH+
= Zn(OH)2
H2O H+ + OH–
ZnOH+ + H2O Zn(OH)2 + H+,
Реакция среды кислая (рН<7).
Гидролиз солей, образованных слабым основанием и слабой кислотой.
Подобные соли легче других подвергаются гидролизу, так как ионы этих солей одновременно связываются обоими ионами воды с образованием двух слабых электролитов.
Реакция среды в растворах таких солей зависит от относительной силы кислоты и основания, т.е. водные растворы таких солей могут иметь нейтральную, кислую, или щелочную реакцию в зависимости от констант диссоциации образующихся кислот и оснований.
Гидролиз ацетата аммония CH3COONH4
Соль CH3COONH4 образованна слабым основанием NH4OH и слабой кислотой CH3COOH одинаковой силы. (Кдис.NH4OH =1.8∙10-5; Кдис.CH3COOH =1.8∙10-5).
Реакция гидролиза в молекулярной форме:
CH3COONH4 +H2O NH4OH + CH3COOH
в ионно-молекулярной форме:
NH4+ + CH3COO– + H2O NH4OH + CH3COOH.
Поскольку концентрация ацетат-ионов и ионов аммония в растворе одинаковы, а константы диссоциации кислоты и основания равны, то реакция среды будет нейтральной (рН=7).
В результате реакции гидролиза цианида аммония NH4CN (Кдис.HCN =7.2∙10-10; Кдис.NH4OH =1.8∙10-5)
NH4CN +H2O NH4OH + HCN
среда будет слабощелочной (рН>7).
Гидролиз соли, образованной слабыммногокислотным
основанием и слабой многоосновной кислотой, например, Al2S3.
Уравнение реакции гидролиза этой соли:
Al2S3 + 6H2O 2Al(OH)3↓+ 3H2S↑
Ион алюминия связывает ион гидроксила
Al3+ + H2O AlOH2++ H+,
а сульфид-ион связывает ионы водорода:
S2– + H2OHS– + OH–
В результате в растворе нет накопления ни ионов H+, ни ионов OH–, гидролиз протекает до полного разложения соли с образованием продуктов Al(OH)3 и H2S.
Степень гидролиза.
Количественно процесс гидролиза можно характеризовать степенью гидролиза h (%).
h (%) = число гидролизованных молекул соли ∙ 100
общее число растворенных молекул соли
Степень гидролиза зависит от химической природы образующейся при гидролизе кислоты (основания) при прочих равных условиях.
Например, одномолярные растворы ацетата натрия и цианида натрия при 22°С гидролизованы соответственно следующим образом:
CH3COONa ~ на 0,003% (Кдис.CH3COOH =1.8∙10-5)
NaCN ~ на 5% (Кдис.HCN =7.9∙10-10)
Факторы, влияющие на степень гидролиза соли.
Основные факторы, влияющие на степень гидролиза соли: природа соли, концентрация соли, температура, добавление кислоты, щелочи или других солей.
Влияние природы соли на степень ее гидролиза определяется тем, что чем более слабым электролитом (основанием или кислотой) образована данная соль, тем в большей степени она подвержена гидролизу.
По мере уменьшения концентрации соли ее гидролиз усиливается, так как гидролиз соли лимитирован ничтожным количеством H+ и OH–-ионов, образующихся при диссоциации воды. Чем больше ионов воды приходится на долю ионов соли, тем полнее идет гидролиз.
С увеличением температуры диссоциация воды несколько возрастает, что благоприятствует протеканию гидролиза.
Влияние добавления в раствор соли кислоты, основания или другой соли можно определить исходя из принципа Ле-Шателье. В том случае, когда добавляемые электролиты связывают продукты гидролиза соли, гидролиз соли усиливается. Если же добавляемый электролит увеличивает концентрацию продуктов гидролиза или связывает исходные вещества, то гидролиз соли уменьшается.
Например:
CH3COONa +H2O CH3COOH + NaOH
CH3COO– + H2O CH3COOH +OH–
Прибавление к этому раствору щелочи, т.е. ионов OH–, или другой соли, образованной слабой кислотой и сильным основанием смещает равновесие гидролиза в сторону реагирующих веществ, а добавление кислоты, т.е. ионов H+, или соли, образованной сильной кислотой и слабым основанием смещает равновесие гидролиза в сторону продуктов реакции.
Пример взаимодействия растворов двух солей, взаимно усиливающих гидролиз друг друга.
В растворах карбоната натрия Na2CO3 и сульфата алюминия Al2(SO4)3, взятых порознь устанавливаются равновесия:
CO32– + H2O HCO3– + OH–
Al3+ + H2O AlOH2++ H+
и гидролиз этих солей ограничивается практически первой ступенью. Если смещать растворы этих солей, то ионы H+ и OH– уходят из сферы реакции в виде малодиссоциирующей воды, что смещает оба равновесия вправо и активизирует последующие ступени гидролиза, что приводит к образованию осадка Al(OH)3 и газа CO2.
Al2(SO4)3+ 3Na2CO3 + 3H2O → 2Al(OH)3↓ + 3CO2↑ + 3Na2SO4
2Al3+ + 3CO32– + 3H2O → 2Al(OH)3↓ + 3CO2↑.
Практическая часть.
Взять пять пробирок.
В первую пробирку налить 1 мл раствора хлорида аммония NH4Cl, во вторую – 1 мл раствора ацетата натрия CH3COONa, в третью – 1 мл раствора хлорида натрия NaCl, в четвертую – 1 мл раствора карбоната натрия Na2CO3, в пятую – 1 мл воды.
Затем в каждую пробирку добавить 1 – 2 капли раствора универсального индикатора. Отметить окраску растворов в пробирках. Определить значение рН раствора, пользуясь данными таблицы 1.
Окраска универсального индикатора
в зависимости от значения рН раствора
Таблица 1.
|
рН |
Окраска индикатора |
|
2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
розовая красно-оранжевая оранжевая желто-оранжевая желтая желто-зеленая зеленая сине-зеленая фиолетовая |
Результаты наблюдений свести в таблицу.
Таблица 2.
|
№ пробирки |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Растворенная соль |
NH4Cl |
CH3COONa |
NaCl |
Na2CO3 |
|
Цвет индикатора |
||||
|
рН |
Сделать выводы. Составить уравнения реакций гидролиза в молекулярной и ионной форме.
Налить в пробирку 1–2 мл раствора сульфата цинка (ZnSO4), добавить по каплям раствор гидроксида калия (КОН) до появления осадка, а затем до его растворения. К полученному раствору добавить воду до появления осадка.
Сделать выводы. Составить уравнения реакций гидролиза в молекулярной и ионной формах.
Налить в пробирку 1–2 мл раствора ацетата натрия CH3COONa и прибавить 1–2 капли фенолфталеина. Нагреть раствор в пробирке и наблюдать изменение окраски индикатора. Сделать вывод о влиянии температуры на степень гидролиза солей и дать объяснение.
Налить в пробирку 2–3 капли раствора хлорида железа (III) FeCl3, а затем прибавить по каплям раствор карбоната натрия Na2CO3 до появления осадка и выделения газа. Сделать вывод. Составить уравнения реакций.
Требования к отчету.
Отчет должен содержать цель работы, краткое описание хода работы и наблюдаемых явлений, уравнения реакций гидролиза в молекулярной и ионно-молекулярной формах с названием продуктов реакций и выводы, включающие ответы на три первых пункта контрольных вопросов.
Контрольные вопросы и задания.
|
Вариант |
Соли |
Вариант |
Соли |
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 |
NaCN, ZnBr2 Fe2(SO4)3, KNO2 K2SO3, CH3COONa Pb(NO3)2, NH4Cl Na2S, KClO K3PO4, NH4NO3 K2CO3, NaBrO CuCl2, KCN NiSO4, (NH4)2SO4 FeCl3, Ba(NO2)2 AlBr3, NaClO Cr(NO3)3, Ca(CH3COO)2 Na3PO4, Ba(CN)2 Na2SO3, KCNS Na2CO3, KIO CuSO4, NaClO2 |
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 |
NiCl2, NaNO2 Fe(NO3)3, NaIO ZnSO4, NH4ClO4 Pb(ClO4)2, LiNO2 CdCl2, Ca(CN)2 Ba(ClO)2, FeBr3 Cu(NO3)2, Ba(CH3COO)2 CoSO4, Ca(ClO)2 CrCl3, Ca(NO2)2 Fe(ClO4)3, NH4Br Al2(SO4)3, KBrO CrCl3, KClO2 Cd(NO3)2, CH3COOK AlCl3, NH4I Cr2(SO4)3, Sr(CH3COO)2 Ni(NO3)2, Ba(ClO)2 |
5. В какой цвет будет окрашен лакмус в растворах следующих солей: Таблица 4.
|
Вариант |
Соль |
Вариант |
Соль |
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 |
Na2CO3 KCl NH4NO3 Na2SO4 K2SO3 FeCl3 Al(NO3)3, K2S KI Na3PO4 K2CO3 KNO2 KNO3 NaCN Na2S ZnCl2 |
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 |
Fe2(SO4)3 NH4Cl AlCl3 NaCl KClO4 Na2SO3 (NH4)2SO4 CrCl3 KClO2 CaS Ba(NO3)2 K3PO4 BaCl2 NaNO3 CH3COOK NaClO |
Лабораторная работа 7
Адсорбция красителей. Избирательная адсорбция ионов
Цель работы: ознакомление с адсорбной поверхностью твердых тел.
Теоретическая часть
Явление поглощения одного вещества поверхностью или объемом другого называется сорбцией. Вещество (газ, жидкость или растворенный компонент), частицы которого поглощаются называется – сорбатом, а вещество (чаще всего твердое тело), которое поглощает, - сорбентом.
Сорбция, происходящая только на поверхности твердого тела, называется адсорбцией. Если же поглощаемое вещество диффундирует внутрь твердого тела, как бы растворятся в нем, то такое явление называется абсорбцией. Как правило, адсорбция предшествует абсорбции.
Адсорбция связана с особым энергетическим состоянием частиц на поверхности адсорбента по сравнению с энергетическим состоянием частиц, находящихся в объеме. Частицы (молекулы, атомы, ионы) во внутренних слоях испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны окружающих частиц.
Частицы же поверхностного слоя обладают свободной поверхностной энергии, которая может быть снижена за счет возникновения адсорбционных взаимодействий с молекулами или ионами адсорбата.
Взаимодействие между частицами адсорбента и адсорбата зависит от их природы. Различают физическую адсорбцию и химическую (хемосорбцию).
При физической адсорбции частицы адсорбента и адсорбата связываются относительно непрочными межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса). В связи с этим физическая адсорбция сопровождается небольшим отрицательным тепловым эффектом = 8 – 20 кДж\моль и протекает обратимо.
При хемосорбции частицы адсорбента и адсорбата связываются более прочными силами взаимодействия, которое приводит к образованию нового химического соединения на поверхности адсорбента. Хемосорбция сопровождается отрицательным тепловым эффектом, величина которого соответствует тепловому эффекту экзотермической химической реакции. Хемосорбция может распространяться с поверхности адсорбента на его объем, переходя в обычную гетерогенную реакцию.
Удельная поверхность, пористая структура адсорбента.
Адсорбционная способность любого адсорбента определяется в первую очередь его удельной поверхностью So:
So =
где S – площадь поверхности адсорбента, m – масса адсорбента.
Адсорбция газов и паров происходит на поверхности любого твердого тела. Однако, удельная поверхность твердых тел обычна невелика и количество поглощенного вещества трудно зафиксировать. Для промышленных целей специально приготавливаются твердые вещества с большими значениями поверхности. Важнейшие промышленные адсорбенты – это активированные угли, цеолиты (молекулярные сита). Значения их удельной поверхность достигает 1000 и даже 15000 м2/г.
Такая развитая удельная поверхность может быть создана за счет системы тончайших пор (микропор), которые заполняются частицами адсорбата за счет чистого адсорбционного процесса. Кроме того, существуют более крупные поры (переходные, мезопоры), в которых при больших концентрациях адсорбата происходит процесс капиллярной конденсации. Микро– и мезопоры составляют предельный объем адсорбционного пространства Ws:
Ws =.
Существует так называемые макропоры, их объем . Суммарный объем пор состоит из объемов всех видов пор:
.
Макропоры не вносят большого вклада в величину адсорбционной активности, т.к. их поверхность относительно невелика. Однако, они являются транспортными артериями для доставки молекул или ионов адсорбата в микро- и переходные поры.
Реальные адсорбениы имеют поры самого разного радиуса (5 - 300000)*10-10 м.
Адсорбцию газа на поверхности можно зафиксировать по увеличению массы твердого тела. Адсорбцию измеряют в миллиграммах поглощенного вещества в расчете на грамм адсорбента (мг/г). В адсорбированном состоянии плотность газа резко растет, молекулы на поверхности могут соприкасаться лруг с другом, и плотность вещества становится равной плотности жидкости. Вселедствие этого адсорбцию можно измерять в единицах объема поглощенного ещества (см3/г). Соотношение между различными способами выражения величины адсорбции можно выразить следующим образом:
а (м моль/г) = 1/М * а (мг/г),
а (см3/г) = 1/ * а (мг/г) = V а (м моль/г),
где М – молярная масса газа (пара),
- плотность сжимаемого пара, г/см3,
V – молярный объем жидкости.
Практическая часть
Задание. Определить удельную поверхность, предельный объем адсорбционного пространства и константу скорости адсорбции.
Метод испытаний. Измерение изменения массы адсорбента, находящегося в контакте с адсорбатом, во времени.
Принадлежности для работы: торсионные весы, стеклянный бюск с адсорбентом – активированном углем марки БАУ (березовый активированный уголь), стаканчик с адсорбатом – ацетоном, секундомер, сушильный шкаф.
Последовательность выполнения работы. Образец адсорбента БАУ массой около 0,5 г поместить в стеклянный бюск. Поставить бюск в сушильный шкаф при температуре 150о-200оС на 30 минут. При нагреве образца за счет десорбции удаляются пары веществ, адсорбированные обрацом из воздуха (термическая регенерация). После нагрева образца закрыть бюск крышкой, дать ему слегка остыть, и в горячем состоянии пересыпать сорбент на чашку торсионных весов. Сразу же, переместив вправо арретир , рычагом передвинуть стрелку до тех пор, пора стрелка не совместиться с нулевой риской. Записав по показанию весов массу адосрбента с чашечкой mo и определить исходную массу адсорбента ma = mo – mч. Внутрь защитного кожуха поставить стаканчик с адсорбентом (ацетоном), испарение которого создает в кожухе концентрацию (давление) паров, равную равновесному давлению пара над раствором (р/рs = 1). Пары адсорбента поглащаются адсорбентом, увеличивая его массу. Имерения проводят в течение первых пяти минут каждую минуту, затем, поскольку скорость адсорбции замедляется, постепенно увеличивают интервалы измерениями до 3, 5 и 10 минут. Опыт считают законченным, когда два последних взвешивания с интеравалом между ними не менее 10 минут совпадают. Результаты измерений записаны в таблице 1.
Таблица Экспериментальные и расчетные данные по адсорбции паров ацетона активированным углем марки БАУ.
|
Интер-вал времени , мин |
Масса чашечки с адсор-бентом m, мг |
Измене-ние массы адсор-бента , мг |
Величии-на адсор-бции а, мг/г |
Величина адсорбции а’, моль/г |
Кол-во адсорби-рованных молекул, n |
Поверх-ность, занятая адсор-батом S, м2/г |
Объем адсорбата W, см3/г |
|
|
0 |
367 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
3 |
370 |
3 |
20,98 |
0,36 |
0,22 1021 |
66 |
0,27 |
lg 1,09 |
|
5 |
373 |
6 |
41,96 |
0,72 |
0,43 1021 |
129 |
0,54 |
lg 1,21 |
|
10 |
380 |
13 |
90,91 |
1,57 |
0,95 1021 |
285 |
1,17 |
lg 1,59 |
|
15 |
388 |
21 |
146,85 |
2,53 |
1,52 1021 |
456 |
1,88 |
lg 2,50 |
|
20 |
394 |
27 |
188,81 |
3,26 |
1,96 1021 |
588 |
2,42 |
lg 4,37 |
|
25 |
398 |
31 |
216,78 |
3,74 |
2,25 1021 |
675 |
2,78 |
lg 8,75 |
|
30 |
401 |
34 |
237,76 |
4,10 |
2,47 1021 |
741 |
3,05 |
lg 34,97 |
|
35 |
402 |
35 |
244,76 |
4,22 |
2,54 1021 |
762 |
3,14 |
- |
|
40 |
402 |
35 |
244,76 |
4,22 |
2,54 1021 |
762 |
3,14 |
- |
= = 20,98 мг/г,
где - масса поглощенного вещества в данный момент времени (изменение массы адсорбента);
ma – исходная масса адсорбента, равная mo – mч.
а’ = = = 0,36 моль/г,
где М – молярная масса адсорбата (ацетона (СH3)2CO ).
n = 6,02 1020 a’ = 6,02 1020 0,36 моль/г = 0,22 10 21,
где 6,02 1020 – количество молекул в 1 ммоль вещества.
S = s n = 3,00 10-19 м2/г 0,22 1021 = 66 м2/г,
где s – площадь одной молекулы.
Примерно площадь одной молекулы можно найти, исходя их молярной массы М и плотности сконденсированного пара адсорбата (ацетона = 0,78 г/см3).
Объем одного моля (см3/моль):
Vмоль = == 74,36 см3/моль.
Объем одной молекулы (см3):
Vмолекулы = === 1,24 10-22 см3/моль.
Радиус молекулы r (см):
r = = = 3,09 10-8 см/шт.
Площадь молекулы s (см2):
s = r2 = = 3,00 10 -19 м2/г.
5) Объем поглощенного вещества W (см3/г) определяется исходя из представления, что адсорбированное вещество подобно жидкости (сконденсировано на поверхности адсорбента):
W = = = 0,27 см3/г.
6) Постройте графическую зависимость:
а = f (),
7) Найдите равновесную величину адсорбции, ар, отвечающую давлению насыщенного пара ацетона. При достижении равновесной величины адсорбции скорость адсорбции равна нулю. В начальный момент времени при нулевой величине адсорбция максимальна (поверхность адсорбента пуста).
ар = 244,76 мг/г.
8) Определите константу скорости адсорбции из уравнения:
,
где k – константа скорости адсорбции,
a – величина адсорбции в произвольный момент времени,
ap – равновесная величина адсорбции.
Произведя математические преобразования, получим уравнение:
.
Переходя к десятичным логарифмам, получим:
.
Если экспериментальные данные представить в координатах, то тангенс угла наклона прямой к оси времени =2,3 k, отсюда k = 2,3 . Значение k можно найти и аналитически, подставляя экспериментальные значения для различных интервалов времени.
Контрольные вопросы:
Лабораторная работа 8 Коагуляция гидрофобных золей электролитами
Цель работы:Изучение явления коагуляции коллоидных растворов при добавлении к ним электролитов, содержащих ионы-коагулянты различной валентности.
Теоретическая часть
Изменение состояния коллоидных систем
Коллоидные системы обладают высокоразвитой поверхностью раздела и, следовательно большим избытком свободной поверхностной энергии. Поэтому эти системы термодинамически неустойчивы. Если в силу создавшихся условий мицеллы золя приходят в тесное соприкосновение между собой, они соединяются в крупные агрегаты.
Коагуляция – это процесс укрепления коллоидных частиц в золях, происходящих под влиянием внешних воздействий
Седиментация – процесс осаждения укрупненных частиц твердой фазы золя.
Процесс коагуляции связан с уменьшением степени дисперсности и обусловлен агрегативной неустойчивостью коллоидных систем.
В коагуляции различают 2 стадии:
1) скрытую коагуляции – когда новорожденным газом еще нельзя наблюдать какие либо внешние изменения в золе.
2) явную коагуляцию, когда процесс агрегации частиц дисперсной фазы золя может быть легко обнаружен визуально.
Факторы коагуляции коллоидных систем бывают разнообразными. Коагуляция может быть вызвана повышением температуры, длительным диализом, добавлением электролитов, разного рода механическими воздействиями (размешивание, встряхивание, взбалтывание), сильным охлаждением, ультрацентрифугированием , концентрированием, пропусканием электрического тока, действием на золь другим золем.
Поскольку главное условие уменьшения устойчивости коллоидных растворов – потеря электрического заряда, основными методами их коагулирования являются методы снятия зарядов.
Коагуляция гидрофобных золей электролитами
Чтобы начался процесс коагуляции нужно наличие некоторой минимальной концентрации электролита в золе.
Порог коагуляции – наименьшая концентрация ммоль/л электролита, вызывающая коагуляцию (помутнение раствора, изменение окраски).
Опытом установлено, что коагулирующее действие обычно оказывает ион, заряд которого по знаку противоположен заряду поверхности коллоидных частиц
Правило Шульце-Гарди – ионы коагуляторы высшей зарядности, вызывают коагуляцию при меньших концентрациях, чем ионы низшей зарядности.
Правило Шульце-Гарди имеет приближенный характер, т.к. коагулирующие действие электролита зависит не только от зарядности его ионов. Некоторые органические однозарядные ионы обладают более сильной адсорбируемостью.
По величине коагулирующей способности ионы щелочных металлов можно расположить в ряды ионов этих металлов – лиотропные ряды.
Cs+>Rb+>NH4+>K+>Na+>Li+
Коагуляции гидрофобных золей можно вызвать при помощи смеси электролитов. При этом возможны 3 случая:
Коагуляция гидрофобных коллоидов может быть вызвана смешиванием в определенных количественных соотношениях с другим гидрофобным золем, гранулы которого имеют противоположный знак. Это явление называется взаимной коагуляцией. Явление взаимной коагуляции золей имеет чрезвычайно широкое распространение в природе и в целом ряде технологических процессов. Взаимная коагуляция происходит при смешивании морской и речной воды. При этом ионы солей морской воды адсорбируются на заряженных коллоидных частицах речной воды, в результате чего происходит их коагуляция. По этой причине на дне постоянно скапливается большое количество ила, образуется много мелей и островков.
В быту: чернила представляют собой коллоидные растворы различных красителей. Причем в разных чернилах коллоидные частицы заряжены по-разному. Вот почему при смешивании разных чернил имеет место взаимная коагуляция. При температуре ниже 00 С тушь портится – коагулирует, т.к. вода замерзает и коллоидные частицы сажи, лишаясь защитной гидратной оболочки, необратимо коагулируют.
Механизм электролитной коагуляции
Гранула становится электронейтральной в том случае, если противоионы диффузного слоя, заряженные отрицательно, перемещаются в адсорбционный слой. Чем выше концентрация прибавляемого электролита, тем сильнее снижается диффузный слой, тем меньше становится потенциал, тем быстрее начинается процесс коагуляции. При определенной концентрации электролита практически все противоионы перейдут в адсорбированный слой, заряд гранулы снизится до нуля и коагуляция пойдет с максимальной скоростью.
Коагулирующее действие электролитов сводится к сжатию диффузного слоя и протекает избирательная адсорбция на коллоидной частице тех ионов электролитов, которые имеют заряд, противоположный грануле. Чем выше заряд иона, тем интенсивнее он адсорбируется. Накопление ионов в адсорбированном слое сопровождается уменьшением потенциала и диффузного слоя.
Вывод: коагулирующие действие электролитов заключается в уменьшении сил отталкивания между коллоидными частицами через понижение потенциала и изменение строение двойного электрического слоя и сжатия диффузной его части, обусловленное прибавлением электролита – коагулянта, влечет за собой понижение расклинивающего действия гидратных оболочек диффузных ионов, разъединяющих коллоидные частицы.
При добавлении к золям электролитов с многозарядными ионами, заряд которых противоположен по знаку заряду коллоидных частиц, может наблюдаться не коагуляция, а стабилизация золя и перемена потенциала. Это явление называется перезарядка золей.
Практическая часть:
Для работы необходимо приготовить 9 чистых сухих пронумерованных пробирок (на 25 мл). В первую пробирку наливают пипеткой 5 мл 0,01 н раствора , во вторую – 5 мл 0,001 н раствора .
В пробирках 3–7 приготовляют по 5 мл ацетатных буферных смесей со значениями рН, равными 3,8; 4,4; 4,7; 5,1; 5,7 сливанием определенных объемов 0,1 н растворов (А) и (В). Объемы растворов и отмеряют пипетками (на 5 мл). Приготовленные буферные смеси перемешивают встряхиванием. В восьмую пробирку наливают 5 мл 0,001 н раствора , а в девятую – 5 мл 0,01 н раствора . Водородный показатель растворов кислоты и щелочи измеряется на рН-метре. Перед работой необходимо ознакомиться с методикой измерения рН на приборе рН-метре. Во все пробирки добавляют из бюретки (объемом на 25 мл) по 2 мл 1 %-ного раствора желатина, тщательно перемешивают. Затем из бюретки емкостью 25 мл добавляют в каждую пробирку по 2 мл этилового спирта (по возможности безводного) при интенсивном встряхивании.
Приготовленные смеси имеют равные объемы (9 мл). Следовательно, концентрация желатина во всех пробирках одинакова. Наблюдают за растворами, отмечая время появления помутнения. Появление помутнения лучше наблюдать на темном фоне, для чего пробирки ставят на лист черной бумаги и просматривают их сверху через всю толщу раствора. Записывают время помутнения (мин) от начала опыта.
Контрольные вопросы
Лабораторная работа 9
Определение порога коагуляции гидрозоля Fe(OH)3. Определение защитного числа желатины
Теоретическая часть
Пептизация гидрофобных золей
Пептизация - процесс перехода осадка во взвешенное состояние под влиянием внешних факторов. Этот процесс противоположен коагуляции – называется декоагуляцией.
Пептизаторы – вещества, способствующие переходу коагеля в золь.
Сам процесс пептизации в основном обуславливается адсорбционными явлениями, где происходит повышение потенциала дисперсных частиц, увеличение степени их сольватации. Сообщение скоагулируемым частицам дисперсной фазы золя заряда способствует общему разрыхлению осадка, переводу этих частиц во взвешенное состояние благодаря броуновскому движению. При этом образуются вокруг дисперсируемых частиц сольватные оболочки.
Существует диссолюционная пептизация – когда процесс пептизации сопряжен с химической реакцией поверхностно расположенных молекул коллоидных мицелл. Он состоит их двух фаз: образованием путем химической реакции растворимого электролита-пептизатора и адсорбции образовавшегося пептизатора, приводящей к образованию мицелл и пептизации коагеля.
Пептизация играет большую роль во многих явлениях природы и в технике. При обработке почвы раствором хлорида натрия ионы Са2+ и Mg2+ в диффузном слое в результате ионного обмена замещаются на ионы натрия, что приводит к пептизации почвенных коллоидов и к переходу их при достаточном увлажнении в состояние золя. Перешедшие в состояние золя коллоиды легко вымываются их верхних горизонтов почвы в нижние, в результате чего почва теряет свои ценные агрономические свойства, становится бесструктурной.
Моющие действия мыла связано с процессом пептизации. Коллоидный ион мыла, является диполем, хорошо адсорбируется частичками грязи, сообщает им заряд и способствует их пептизации. Грязь в виде золя легко удаляется с моющей поверхности.
Коагуляция растворов ВМС
Высокая устойчивость коллоидных растворов ВМС определяется наличием на поверхности частиц двух оболочек: электрической и сольватной.
Высаливание – явление выделения в осадок растворенного ВМС под действием большой концентрации электролита.
Высаливающие действие соли заключается в ее собственной сольватации (гидратации) за счет десольватации (дегидратации) молекул ВМС.
Для осаждения макромолекул необходимо удалить водную оболочку (спиртом) и снять заряд ее путем прибавления электролита. На процесс высаливания оказывает влияние степень растворимости самого полимера в данном растворителе: чем ниже она, тем быстрее происходит высаливание.
ВМВ, выделенные из раствора высаливанием, после отмывки их от электролитов могут быть снова переведены в раствор. Коллоиды, которые при устранении фактора, вызвавшего коагуляцию, способны переходить из состояния геля в состояние золя, - называются обратимые коллоиды.
Необратимое осаждение высокополимеров, в частности белков, под влиянием высокой температуры, при воздействии концентрированных кислот и щелочей – называется денатурацией. При денатурации происходит осаждение и изменение их химической природы.
Белки при денатурации становятся нерастворимыми и в большинстве случаев утрачивают способность к набуханию.
Высаливание имеет значение в мыловарении, а производстве красителей, канифоли, искусственных волокон.
Практическая часть:
Для приготовления коллоидного раствора гидроксида железа 10 мл 2%-ного раствора FeCL3 прибавляют небольшими порциями к 100 мл нагретой до кипения дистиллированной воды, затем полученный раствор кипятят еще несколько минут и оставляют на горячей плите.
Используемый далее раствор должен быть интенсивного красно-коричневого цвета. При ослаблении окраски и переходе ее в желтый цвет раствор следует снова довести до кипения.
В колбу для титрования трижды отбирают по 10 мл горячего раствора гидроксида железа и по каплям из бюретки добавляют растворы коагулянтов до появления первых признаков коагуляции. Из трех полученных для каждого электролита значений определяют средний объем и рассчитывают зависимость величины порога коагуляции от валентности иона-коагулянта, откладывая на оси абсцисс значения валентности ионов, а на оси ординат – десятичный логарифм величины порога коагуляции ионов. Проводить расчет порога коагуляции по вышеприведенной формуле невозможно в данных условиях, поскольку константа α, включающая в себя значение нескольких параметров, характеризующих состояние данного раствора, нам неизвестна. Поэтому порог коагуляции рассчитывают по объему раствора иона-коагулянта, пошедшему на титрование. Следует только перевести нормальность растворов коагулянтов в молярность и выразить ее в миллимолях.
Контрольные вопросы
1. Что понимают под агрегативной и седиментационной устойчивостью?
2. Опишите строение коллоидной частицы.
3. При нагревании воды (особенно озерной или речной) до 90–95 °С происходит интенсивное образование бурых хлопьев. Объясните это явление. Почему такое явление не наблюдается при нагревании дистиллированной воды?
4. Какой процесс называют коагуляцией? Чем он завершается?
5. Что называют быстрой и медленной коагуляцией?
6. В чем заключается основное отличие коагуляции от коалесценции?
7. Дайте определение порога коагуляции.
8. Как называют величину, обратную порогу коагуляции?
Лабораторная работа 10 Получение коллоидных растворов методом пептизации
Цель работы: Приготовление дисперсных систем
Теоретическая часть
Получение коллоидных систем методами диспергирования
Диспергированием называют тонкое измельчение твердых мате риалов или жидкостей и распределение их частиц в жидкой или газообразной среде, в результате чего образуются дисперсные си стемы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.
Методы измельчения крупных образований до коллоидного со стояния подразделяются на механические, физические и физико-химические.
Механическое диспергирование. Это один из основных путей образования коллоидных систем в природе: при обвалах, выветри вании, эрозии почв и т. д. Искусственное механическое дисперги рование осуществляют с помощью различных способов измельчения. Такой процесс включает грубое, среднее и мелкое дробление. В основу действия машин-измельчителей положены принципы раздавливания, раскалывания, истирания, удара и др. Свойство материала противо стоять разрушению называют прочностью. В процессе измельчения твердое тело испытывает деформации упругие и пластические. Упру гие (обратимые) деформации после снятия нагрузки практически полностью исчезают. При пластических (необратимых) деформациях прекращение внешнего воздействия не приводит к восстановлению формы и размеров твердого тела. Прочность материала нарушается, форма его изменяется.
Согласно представлениям П. А. Ребиндера, на измельчение материала затрачивается энергия, равная сумме работы деформа ции твердого тела и работы образования новых поверхностей:
W=Wдеф + Wn = kV + σ∆S,
где W — полная работа измельчения; k — коэффициент пропор циональности, равный работе деформирования единицы объема из мельчаемого тела; V — объем тела; σ — поверхностное натяжение (энергия образования единицы поверхности); ∆S — новая поверх ность, образующаяся при разрушении тела.
Из формулы следует, что работа измельчения увеличи вается пропорционально как объему измельчаемого материала, так и величине образующейся новой поверхности. Это означает, что с уменьшением конечного размера частиц расход энергии резко возрастает. Для снижения затрат энергии на измельчение и дости жение более высокой дисперсности материала в процессах измель чения используют эффект Ребиндера — понижение твердости за счет добавок посторонних веществ, называемых понизителями твердости. В качестве понизителей твердости могут выступать многие электро литы — соли и щелочи [NaCl, СаСl2, АlСl3, NaOH, Ca(OH)2, Na2CO3, Na2Si03], поверхностно-активные вещества (щелочные растворы мыла, сульфолигниновые и сульфонафтеновые кислоты, дубильные экстракты).
Явление понижения твердости давно использовалось в практике, например при растирании в ступке твердых веществ (серы, оксида железа, сульфидов металлов) в присутствии некоторых индифферентных соединений: сахара, мочевины и т. п. Работами Ребиндера был раскрыт механизм этого явления, заключающийся в том, что добавляемые вещества адсорбируются в местах дефектов кристаллической решетки твердых тел, например в микротрещинах. Адсорбция веществ-добавок, с одной стороны, вызывает снижение поверхностной энергии, чем облегчается диспергирование, а с другой стороны, приводит к возникновению сил взаимного электростатического отталкивания адсорбционных слоев, расположенных на противоположных стенках микротрещин. В итоге возникает расклинивающий эффект, усиливающий разрушающее воздействие. В результате такого эффекта значительно снижаются внешние энергетические затраты на процесс измельчения. Положительная роль добавок состоит и в том, что их адсорбционные слои препятствуют слипанию вновь образовавшихся частиц.Действие, подобное введению веществ — понизителей твердости, оказывает и добавка жидкостей. Мокрый помол (там, где он воз можен) всегда более эффективен, чем сухой. Измельчение материалов ведут с помощью таких механизмов, как машины для предва рительного дробления и машины для оконча тельного (тонкого) помола. Для предвари тельного измельчения используют механизмы разной конструкции изрезывающего, распи ливающего либо раскалывающего действия. Выбор способа дробления зависит от физи ческого состояния исходных материалов. Хрупкие материалы легко раскалываются при ударе, для пластических, вязких объек тов требуется одновременное воздействие удара и истирания и т. д.
В фармацевтическом производстве, где измельчению подверга ются главным образом растительные сырьевые материалы, исполь зуют траво- и корнерезки, машины с дисковыми пилами. После ряда стадий дробления получают порошки с размером частиц око ло 10~4 м.
Окончательное измельчение — порошкование (тонкий помол) ~— осуществляют с помощью мельниц разной конструкции: вальцовых, дисковых, молотковых, различных дезинтеграторов, струйных из мельчителей. Для размола многих материалов эффективны шаровые мельницы, в которых сочетается ударное и истирающее действие.
Тонкий и сверхтонкий помол проводят в вибромельницах, кол лоидных мельницах и т. п. Эти механизмы применяют также для диспергирования твердых материалов и жидкостей в жидкой среде при получении суспензий и эмульсий.
Коллоидная мельница впервые была сконструирована русским инженером К. Плауссоном (1920).
Конструкции коллоидных и других мельниц основаны на системе из статора и ротора, вращающегося с частотой до 20 тыс. об/мин. Поверхности статора и ротора, обращенные друг к другу, снаб жаются различными ударными элементами — билами, выступами, прорезями. В других моделях между статором и ротором делается очень узкий зазор, проходя через который под давлением частицы твердого вещества или жидкости испытывают разрывающее усилие и диспергируются, образуя суспензию или эмульсию.
Для повышения дисперсности эмульсий применяют специальные аппараты — гомогенизаторы. Действие гомогенизаторов основано на продавливании эмульсий под высоким давлением через узкие каналы и щели.
Ультразвуковое диспергирование является примером использо вания физических методов измельчения. Ультразвуковые волны с частотой от 20 тыс. до 1 млн. колебаний в секунду получают с по мощью пьезоэлектрического осциллятора. Диспергирующее действие ультразвука связано с тем, что при прохождении звуковой волны в жидкости происходят местные быстро сменяющиеся сжатия и растяжения, которые создают разрывающее усилие и приводят к диспергированию взвешенных частиц. Однако решающую роль играет явление кавитации; при чередовании сжатий и разрежений в жидкости непрерывно образуются и снова спадаются (захло пываются) пустоты (полости). При спадении полостей местно разви ваются очень высокие давления. Это вызывает сильные механи ческие разрушающие усилия, способные диспергировать не только жидкости, но и твердые частицы. Таким путем получают высоко дисперсные эмульсии и суспензии, в том числе пригодные для внут ривенного введения. Кроме того, при действии ультразвука на коллоидные растворы, эмульсии, суспензии происходит их стерили зация, так как кавитация вызывает разрушение тел микроорганиз мов и их спор.
Хотя методы диспергирования все более совершенствуются, сравнение их с конденсационными методами получения дисперсных систем показывает, что для достижения максимальной дисперсно сти 1 • 10~7—1 • 10~9 м пригодны только методы конденсации. Помимо того, что при методах конденсации получаются более высокодис персные системы, чем в случае диспергирования, конденсационные методы практически не требуют энергетических затрат. Однако диспергацйонные методы имеют более важное практическое зна чение.
Физико-химическое диспергирование, или пептизация. Свежий (рыхлый) осадок переводят в золь путем обработки пептизато-рами: раствором электролита, раствором поверхностно-активного вещества или растворителем. Под понятием «свежий» осадок пони мается осадок рыхлой структуры, между частицами которого имеют ся прослойки дисперсионной среды независимо от продолжитель ности существования осадка. Слежавшиеся осадки со слипши мися частицами не поддаются диспергированию путем пептизации. Фактически пептизация — это не диспергирование, а дезагрегация имеющихся частиц. Различают три способа пептизации: 1) адсорб ционная пептизация; 2) диссолюционная (или химическая) пеп тизация; 3) промывание осадка растворителем (дисперсионной средой).
Выбор способа пептизации определяется условиями получения и свойствами осадка. Результатом пептизации во всех случаях должно быть разобщение частиц и распределение их по всему объему дисперсионной среды. Представим себе, что осадок трудно растворимого соединения гексациано(П)феррата железа(III) (бер линской лазури) получен в ходе химической реакции при стехиоме-трическом соотношении реагентов
K4[Fe(CN)6] +FeCl3 = KFe[Fe(CN)6] +3KC1
В результате реакции образуется рыхлый осадок берлинской лазури KFe[Fe(CN)6], на частицах которого отсутствует двойной электри ческий слой, так как в системе не имеется ионов, способных к изби рательной адсорбции на частицах осадка и образованию ДЭС. Для того чтобы произошла пептизация, необходимо создать на поверх ности частиц осадка электростатические силы отталкивания, кото рые заставили бы частицы отдалиться друг от друга и равномерно распределиться по всему объему раствора, т. е. образовать золь. Это возможно осуществить путем адсорбционной пептизации, т. е. обработкой осадка раствором электролита, в составе которого есть ион-пептизатор, способный к избирательной адсорбции (в соот ветствии с правилом Панета—Фаянса). В качестве электролита, имеющего ион-пептизатор, можно взять раствор FeCl-з или K4[Fe(CN)6]. В растворе FeCl3 ионом-пептизатором является ион Fe3 + , в растворе K4Fe(CN)6 ион [Fe(CN)6]4. Каждый из этих ионов может адсорбироваться на кристаллах KFe[Fe(CN)6], достраивая их кристаллическую решетку и образуя слой потенциал-образующих ионов. При этом адсорбция ионов железа придает всем частицам осадка положительный заряд, а адсорбция ионов отрицательный заряд. Но и в том, и в другом случае образуется золь. Строение мицеллы золя можно изобразить схемами:
1. При пептизации раствором FeCI3 образуется золь КFе[Fе(СN)6] зеленого цвета с положительно заряженными частицами
2. При пептизации раствором K4[Fe(CN)6] образуется золь KFe[Fe(CN)6] темно-синего цвета с отрицательно заряженными частицами
Диссолюционная, или химическая, пептизация применяется так же к осадкам, не имеющим ДЭС на своих частицах, в тех случаях, когда электролит-пептизатор отсутствует в готовом виде. В этом случае осадок на фильтре обрабатывают небольшой порцией реаген та, растворяющего поверхностный слой зерен осадка, в результате образуется некоторое количество электролита, необходимого для пептизации остальной части осадка. Например, осадок Fe(OH)3 может быть получен при стехиометрическом соотношении реаген тов по реакции
Пептизации путем промывания растворителем подвергают осад ки, которые были получены в присутствии значительного избытка одного из реагентов. В этом случае на частицах осадка имеется двойной электрический слой, но он сильно сжат за счет высокой концентрации электролита. При таком состоянии ДЭС кулоновские силы отталкивания между частицами осадка не проявляются. Для восстановления сил электростатического отталкивания частиц и нормальной структуры ДЭС необходимо понизить концентрацию электролита в осадке. С этой целью осадок на фильтре промывают чистым растворителем или дисперсионной средой. Излишний избы ток электролита вымывается, и через фильтр начинает проходить устойчивый золь.
Заряды коллоидных частиц создают силы отталкивания между ними и способствуют переходу осадка в коллоидный раствор. В. Оствальд, изучая процесс пептизации, вывел эмпирически ряд закономерностей, которые названы правилом осадков Оствальда. Он установил, что для пептизации определенной массы осадка необходима вполне определенная оптимальная концентрация с электролита-пептизатора. Графически это выражается кривой зави симости доли пептизированного осадка Q от концентрации стаби лизатора, которая проходит через максимум, соответ ствующий оптимальному соотношению между массой взятого осадка и концентрацией электролита.
При превышении этой концентрации электролита процесс пепти зации смещается в сторону обратного процесса — коагуляции или агрегации частиц, так как избыток электролита сжимает ДЭС на частицах осадка и ухудшает условия дезагрегации. Следует отме тить, что если пептизатором служит ПАВ, то для него отсутствует такое критическое значение концентрации и повышение содержания ПАВ не вредит пептизации.
С другой стороны, при постоянной концентрации электролита доля пептизированного осадка повышается до максимальной вели чины при определенном соотношении массы взятого осадка и концентрации электролита. Чрезмерное увеличение массы осадка, внесенного в раствор электролита, ухудшает условия пептизации, в результате чего величина Q уменьшается. Это можно объяснить тем, что имеющегося электролита недостаточно для создания эффективного ДЭС на частицах осадка, взятого в избытке.
Практическая часть
ЗОЛЬ БЕРЛИНСКОЙ ЛАЗУРИ. В пробирку к 5 мл 2%-го раствора FeCI3 прибавляют 1 мл насыщенного раствора K4[Fe(CN)6]. Осадок отфильтровывают и промывают дистиллированной водой. При обработке осадка на фильтре 3 мл 0.1н раствора щавелевой кислоты (пептизатор) фильтруется золь берлинской лазури, окрашенный в синий цвет. Анион С2О42- сильно адсорбируется на частицах осадка, сообщая им заряд и агрегативную устойчивость. Напишите формулу мицеллы.
Лабораторная работа 11 Качественные реакции на водорастворимые витамины
Цель работы: Уметь проводить качественные реакции и обнаруживать в пищевых продуктах витамины.
Теоретическая часть
Долгое время считалось, что пища, содержащая белки, жиры, углеводы, минеральные вещества и воду, полностью отвечает биологическим потребностям организма. Однако результаты многих исследований, практический опыт врачей и участников длительных путешествий указывали на существование ряда специфических заболеваний, связанных с недостаточностью такого питания. Поэтому возникло предложение, что для полноценного питания необходимы еще какие-то дополнительные факторы. Одним из таких факторов являются витамины. Термин "витамин" – в дословном переводе "амин жизни" − ввел в науку польский ученый К. Функ (1911-1912 гг.), которому удалось получить смесь витаминов в кристаллическом виде. Большая заслуга в изучении витаминов принадлежит и русскому ученому Н. И. Лунину (1880 г.).
Витамины − это низкомолекулярные органические соединения различной химической природы, общей чертой которых является способность в незначительных количествах обеспечивать нормальное протекание процессов жизнедеятельности.
Они синтезируются главным образом в клетках растений и микроорганизмов. У животных и человека витамины, как правило, не могут быть синтезированы и должны поступать с пищей. Правда, некоторые из них могут образовываться в организме из так называемых веществ-провитаминов, но для этого нужны особые условия. Например, наличие в пище провитамина каротина вызывает синтез витамина А, а освещение кожи ультрафиолетовыми лучами − необходимое условие синтеза витамина D.
Витамины, присутствуя в органах и тканях в минимальных количествах, не являются ни энергетическим, ни пластическим материалом, однако, благодаря высокой биологической активности, оказывают значительное влияние на обмен веществ. Основная биологическая роль витаминов заключается в том, что они входят в состав ферментов, участвующих в каталитических реакциях организма или являются веществами, активирующими некоторые ферментативные процессы. Целому ряду витаминов присущи регуляторные функции. Они оказывают влияние на проницаемость биологических мембран, а, следовательно, на транспорт через них различных веществ.
Отсутствие или недостаток витаминов в пище приводит к нарушению обмена веществ, проявляющемуся в виде заболеваний, к числу которых относятся, например, цинга, рахит и ряд других. Авитаминоз возникает при полном отсутствии того или иного витамина; гиповитаминоз − при недостаточном поступлении витаминов в организм. К числу таких заболеваний относятся цинга, рахит и ряд других. При избыточном поступлении витаминов в организм, что встречается крайне редко, например, на Севере при питании только мясом белого медведя, возникают заболевания с общим названием гипервитаминозы. Гипервитаминозы чаще всего создают искусственно и так изучают.
Развитие науки о витаминах − витаминологии − привело к открытию множества новых витаминов, выяснению их химической природы, а также роли их в организме. Сейчас витамины получают не только из природных продуктов, но и путем химического синтеза.
Номенклатура и классификация витаминов
В настоящее время известно более 30 витаминов. Большинство витаминов принято обозначать буквами латинского алфавита (А, В, С и т. д.). Кроме того, применяются и химические названия витаминов. Например, витамин А − ретинол, витамин Bl − тиамин. Часто в названии витаминов указывают его характерные физиологические свойства: витамин А − антиксерофтальмический, витамин D − антирахитический и т. д.
Все витамины по их растворимости в различных веществах делят на две большие группы:
- жирорастворимые витамины;
- водорастворимые витамины.
Водорастворимые витамины
Большинство водорастворимых витаминов проявляют биологическое действие в виде комплексных соединений с ферментами или ферментными системами, образуя коферменты, и так влияют на процессы метаболизма. Водорастворимые витамины в свою очередь можно разделить на две группы:
1) витамины группы В, куда входят более 15 представителей;
2) витамины группы С − аскорбиновая кислота и витамин Р.
Витамин B1 (тиамин, аневрин)
B1 − это первый кристаллический витамин, исследованный польским ученым К .Функом в 1912 г. Синтез этого витамина был проведен только в 1936 г.
Тиамин
При отсутствии в пище витамина B1 у людей возникает заболевание бери-бери, у птиц и животных − полиневрит. Оба эти заболевания связаны с поражением нервных стволов. Наряду с этим резко изменяется сердечная деятельность, обнаруживаются нарушения в водном обмене, а также секреторной и моторной функций желудочно-кишечного тракта. Этот витамин очень устойчив в кислой среде. Выдерживает нагревание до 140°С при рН=3.
Роль витамина B1 в обмене достаточно изучена. Он оказывает определенное влияние на углеводный обмен, т. к. входит в состав фермента, который называется карбоксилаза. Данный фермент катализирует расщепление промежуточного продукта углеводного обмена − ПВК. При недостатке B1 эта кислота накапливается, что приводит к расстройству центральной нервной системы, которое проявляется в виде параличей, невритов, потери чувствительности.
Источником витамина B1 являются в основном продукты растительного происхождения: мука грубого помола, неочищенный рис, горох, соя, отруби, гречневая крупа.
Витамин В2 (рибофлавин)
Рибофлавин – жёлтое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, разрушается ультрафиолетовым лучом. Впервые выделен из молока. При отсутствии В2 происходит остановка роста, выпадение шерсти у животных и волос у человека. Главным признаком В2-авитаминоза является заболевание глаз − сперва легкая утомляемость, затем вплоть до поражения роговицы и хрусталика. При недостатке В2 часто имеет место развитие анемии.
Рибофлавин
Витамин В2 входит в состав коферментов флавинмононуклеотида (ФМН) и флавиндинуклеотида (ФАД), принимающих участие в окислительно-восстановительных процессах, и принимает участие в образовании гемоглобина.
Особенно богатыми источниками витамина В2 являются пивные дрожжи, рыбная мука, коровье масло, молоко, печень, почки и сердечная мышца.
Витамин В3 (пантотеновая кислота)
В3 широко распространен как в растительном, так и животном мире и в норме находится во всех клетках и тканях организма. При гипо- и авитаминозах у животных и птиц развиваются специфические дерматиты и кератиты, дегенеративные изменения ряда органов и тканей, особенно желез внутренней секреции, наступает депигментация шерсти и перьев, потеря волос, повреждение почек и сердца, снижение иммунобиологической реактивности.
Пантотеновая кислота
Роль пантотеновой кислоты в обмене веществ заключается в том, что она входит в состав коэнзима А, принимающего участие в окислении жирных кислот, а также пировиноградной и лимонной, т. е. выступает в качестве промежуточного вещества − метаболита, связывающего углеводный и жировой обмен.
В3 содержится в больших количествах в дрожжах, яичном желтке; печени, мясе, молоке, зеленых частях растений. Много этого витамина в картофеле, помидорах, цветной капусте.
Витамин В5 (РР, антипеллагрический, никотиновая кислота, никотинамид)
Никотиновая кислота Никотинамид
Признаки В5-витаминной недостаточности можно охарактеризовать тремя Д:
- дерматитис − дерматиты − специфические заболевания кожи;
- деменция − слабоумие;
- диарея − нарушение работы пищеварительного тракта (расстройства).
Заболевания чаще встречаются в тропической местности. У человека поражаются открытые участки кожи − лицо, руки, ноги. У животных это заболевание носит название "черный язык".
Механизм действия никотиновой кислоты и её амида сводится к их участию в качестве коферментов НАД и НАДФ в окислительно-восстановительных реакциях. НАД и НАДФ являются зависимыми дегидрогеназам.
Никотиновая кислота, или витамин В5, никакого отношения к никотину не имеет. Значительные количества никотиновой кислоты содержится в дрожжах, рисовых и пшеничных отрубях, печени, мясе, картофеле, гречке.
Витамин B6 (пиридоксин, пиридоксаль, пиридоксамин, антидерматитный
Пиридоксол Пиридоксаль Пиридоксамин
Авитаминоз B6 наблюдается у людей и животных. При этом характерно выпадение шерсти у животных, шелушение кожи, специфические дерматиты, подобные пеллагре как при недостатке витамина В5, но не поддающиеся лечению витамином В5.
B6 − белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в спирте и воде. Он устойчив по отношению к кислотам и щелочам, но разрушается под влиянием света.
Влияние витамина B6 на процессы метаболизма выражается в том, что он входит в состав ферментов, катализирующих реакции переаминирования и декарбоксилирования аминокислот; принимает участие в превращении триптофана и серусодержащих аминокислот.
Содержится витамин B6 в значительных количествах в отрубях, зародышах пшеницы, дрожжах, бобах, почках, печени.
Витамин B12 (кобаламин, антианемический)
Кобаламин
Единственный витамин, который содержит в своем составе металл − кобальт. При недостатке или отсутствии этого витамина нарушается процесс кроветворения и развивается злокачественная анемия. Характерно также, что при B12-авитаминозе наблюдается резкое снижение кислотности желудочного сока. B12 содержится в печени, почках, отходах промышленности антибиотиков и т.д. Роль его в обмене веществ сводится к тому, что он способен переносить метильные группы -СНз, участвует в синтезе пуриновых и пиримидиновых оснований, влияет на общий уровень обмена веществ.
Витамин B12 синтезируется исключительно микроорганизмами, в том числе микрофлорой кишечника. В биосинтезе витамина B12 принимает участие витамин B6.
Витамин В9 (фолиевая кислота, антианемический фактор)
Оказывает влияние на органы кроветворения. Большинство микроорганизмов, а также высшие и низшие растения способны синтезировать фолиевую кислоту, у животных и птиц она не образуется. Фолиевая кислота не оказывает эффективного влияния на процессы метаболизма, однако является предшественником некоторых коферментов, и в связи с этим играет важную роль в биосинтезе пуриновых и пиримидиновых оснований. Источником фолиевой кислоты служат дрожжи, грибы, салат, помидоры, зеленый лук, печень, почки, сыр.
Фолиевая кислота
Витамин С (аскорбиновая кислота, антицинготный)
При недостатке или отсутствии витамина С в пищевых продуктах развивается заболевание цинга. Характерным признаком цинги является поражение стенок кровеносных сосудов, повышение их проницаемости. Сосуды становятся хрупкими, поэтому на деснах и коже появляются мелкие кровоизлияния. При цинге наблюдается также повреждение костей и особенно зубов, которые расшатываются и выпадают. Цинга в запущенных случаях может закончиться смертью.
По химической природе аскорбиновая кислота близка к углеводам. В организме она может обратимо окисляться в дегидроаскорбиновую. Таким образом эти два соединения образуют окислительно-восстановительную систему, которая может как отдавать, так и присоединять электроны и протоны. Витамин С − белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, малоустойчиво.
Аскорбиновая кислота Аскорбиновая кислота
(восстановленная форма) (окисленная форма)
Биологическая роль аскорбиновой кислоты разнообразна. Она принимает участие в синтезе соединительнотканных белков и белков костей, угнетает фермент, который расщепляет гиалуроновую кислоту. Последняя является склеивающим веществом стенок сосудов и капилляров. При недостатке витамина С происходит расщепление гиалуроновой кислоты и как следствие − признаки заболевания цинги − капилляры становятся хрупкими и ломкими. Аскорбиновая кислота оказывает воздействие на углеводный обмен, изменяя содержание гликогена в печени и сахара в крови; белковый и минеральный обмен; принимает участие в выработке гормонов коры надпочечников. При недостатке витамина С резко снижается устойчивость организма к инфекционным заболеваниям и некоторым ядам.
Больше всего витамина С содержится в черной смородине, плодах шиповника, апельсинах, лимонах, красном перце, землянике, капусте, картофеле. Суточная потребность человека в нем составляет 50 − 70 мг, для спортсменов − до 120 мг/сут.
Витамин Р (цитрин, витамин проницаемости)
По своей химической природе витамин Р относится к флавонам – глюкозидам растительного происхождения.
Под общим названием витамина Р объединяется группа веществ, обладающих общим биологическим действием − при отсутствии витамина Р в пище повышается проницаемость кровеносных сосудов.
Флавон
Влияние на обмен веществ выражается в том, что вместе с аскорбиновой кислотой участвует в окислительно-восстановительных процессах, тормозит действие фермента гиалуронидазы, оказывает влияние на биосинтез нуклеопротеидов. Витамин Р предохраняет витамин С от разрушения. Суточная потребность в витамине Р равна 50 мг.
Содержится данный витамин в печени, яичном желтке, дрожжах, молоке, почках, сердце, в бобах, цветной капусте, пшеничной муке.
На основании изучения потребности крыс было высказано предположение, что ежедневная потребность человека составляет приблизительно 10 мкг биотина; возможно, однако, что нет реальной необходимости в поступлении биотина с пищей.
Витаминоподобные вещества и антивитамины
Витаминоподобные вещества − в эту группу входят различные химические соединения, которые частично синтезируются в организме и обладают витаминным действием. Однако некоторые из них могут выполнять и специфические функции или самостоятельно, или входя в состав других веществ.
Витамин H (биотин)
Недостаток этого витамина вызывает заболевание под названием "очковые глаза", сопровождающееся краснотой и шелушением кожи вокруг глаз, воспалением волос и ногтей.
Биотин
Витамин Н принимает участие в синтезе пуриновых оснований, коэнзима А, АТФ, в реакциях карбоксилирования.
Витамин В4 (холин)
Его недостаток вызывает специфичные расстройства липидного обмена.
(CH3)N – CH2 – CH2OH
Холин
Содержится в значительных количествах в мясе, различных злаках. Поступая через биологические мембраны в клетки, он принимает участие в биосинтезе ацетилхолина и фосфатидов и поставляет подвижные метильные группы – СН3 при различных реакциях трансаминирования.
Витамин B8 (инозит)
Недостаток вызывает задержку роста у молодняка, облысение и специфические расстройства нервной системы.
Инозит
У человека заболевания, связанные с витамином B8, не установлены.
Наиболее богаты этим витамином продукты животного происхождения.
Биологическая роль инозита определяется его участием в биосинтезе инозитфосфатидов. В процессе метаболизма он выступает как липотронный фактор – при его недостатке увеличивается содержание триглицеринов и снижается уровень фосфолипидов.
Парааминобензойная кислота (ПАБК) является одним из факторов роста микроорганизмов. Она необходима также для животных и человека. При недостатке или отсутствии этого витамина наступает поседение волос, облысение и выпадение волос. Она входит в состав другого витамина – фолиевой кислоты, и в этом её значение. ПАБК активирует биосинтез пуринов и пиримидинов, оказывает влияние на функцию щитовидной железы.
Парааминобензойная кислота
Содержится ПАБК в печени, сердце, почках, яйцах, дрожжах, овощах, грибах, картофеле, моркови, шпинате.
Антивитамины − это вещества, близкие по своей химической природе к витаминам, но не обладающие их свойствами. Благодаря близости к химической структуре витаминов, антивитамины вытесняют их из биохимических систем, занимают их место. Сами же не способны выполнять те биохимические функции, которые осуществляют витамины.
Предлагают, что в основе действия антивитаминов лежит замещение соответствующего витамина из его комплекса в ферментативной системе, в результате чего возникает недеятельный фермент. Типичным примером подобного антивитамина является стрептоцид и аналогичные ему так называемые сульфаниламидные препараты.
Стрептоцид по химической структуре близок с ПАБК. Угнетающее действие стрептоцида объясняется тем, что последний в силу своего сходства с ПАБК вступает в соединение с ферментом, с которым в процессе обмена реагирует ПАБК.
Парааминобензойная Стрептоцид
кислота
Пиритиамин является антивитамином для тиамина (В1). Пиритиамин отличается от тиамина тем, что группа S- замещена группой –СН=СН-
Пиритиамин
Дезоксипиридоксин близок к строению пиридоксина (В6). Это его антивитамин.
В наcтоящее время найден ряд структурных аналогов, являющихся антагонистами рибофлавина, биотина, фолиевой кислоты, витаминов С, К, Е и др.
Витамин В1 широко применяется в медицинской практике для лечения различных нервных заболеваний (полиневрита, неврозов), сердечно-сосудистых расстройств (гипертонии, склероза коронарных сосудов) и др. Фосфорилированная форма витамина В1 – кокарбоксилаза – применяется при патологических состояниях, связанных с нарушением углеводного обмена, почечной недостаточности, нарушениях коронарного кровообращения.Витамин В2. В медицинской практике применяют как витамин В2, так и его коферментные формы. Исходный рибофлавин показан при гипо - и авитаминозах В2, при конъюнктивитах, язвах роговицы и катаракте. Рибофлавин-мононуклеотид применяют при различных кожных заболеваниях, таких, как дерматозы, нейродермиты, себорея, фолликулярная волчанка. Флавинат (ФАД), помимо указанных выше заболеваний, применяют при отравлениях и токсикозах.Пантотеновая кислота в медицинской практике используется в виде пантотената кальция при нарушениях обменных процессов, полиневритах, язвенных процессах, токсикозах.Витамин PP. Никотиновую кислоту и никотинамид применяют при атеросклерозе, в частности при гиперхолестеринемии, для нормализации функций печени, почек, головного мозга. Среди комплексных препаратов, в состав которых входит никотиновая кислота, можно отметить никошпан, содержащий кроме никотиновой кислоты но-шпу (сосудорасширяющее и спазмолитическое средство), а среди производных никотиновой кислоты широкое применение в медицинской практике получил кордиамин (стимуляция функций нервной системы и дыхания).
Витамин В6. В медицинской практике используют как витамин В6, так и его коферментные формы. Пиридоксин применяют при токсикозах у беременных, атеросклерозе, нервных и кожных заболеваниях. Пиридоксальфосфат более эффективен, особенно при кожных заболеваниях.
Витамин В12 применяют для лечения некоторых видов анемий, причем наибольший эффект проявляется при сочетанном его применении с фолиевой кислотой. Кроме того, витамин В12 показан при патологиях печени, нервной систем, кожных заболеваниях. Фолиевая кислота в сочетании с витамином В12 применяется для стимуляции эритропоэза, при отравлении тяжелыми металлами, развитии лучевой болезни. Антивитамины фолиевой кислоты, например 4-аминоптерин, применяют в комплексной терапии онкологических заболеваний для подавления синтеза ДНК в опухолевых клетках, а также при лейкозах для ингибирования лейкопоэза.
Витамин С. В медицинской практике витамин С применяется для лечения гиповитаминозов С, при кровотечениях, инфекционных заболеваниях, болезнях печени и почек. Аскорбиновая кислота обладает детоксицирующим действием при отравлениях анилином или оксидом углерода. В ряде случаев витамины взаимно усиливают оказываемые ими физиологические эффекты. Так, влияние витамина Р на проницаемость сосудов усиливается под влиянием витамина С.
Витамины С, Р и К обеспечивают нормальную проницаемость и устойчивость кровеносных сосудов, повышают свертываемость крови. Витамин С и А повышают устойчивость организма к инфекциям путем стимулирования выработки антител и противовоспалительных веществ, усиления защитных свойств эпителия, поэтому в медицинской практике используется ряд комбинированных препаратов в лечебных и профилактических целях.
Качественная реакция на витамин В1 (тиамин)
Принцип метода: в щелочной среде окисляется тиамин в тиохром феррицианидом калия. Тиохром обладает синей флюорисценцией при ультрафиолетовом облучении раствора на флюороскопе.
Диазореакция:
Принцип метода: в щелочной среде тиамин с диазореактивом образует сложное комплексное соединение оранжевого цвета.
Качественная реакция на витамин В2 (рибофлавин)
Принцип метода: Окисленная форма витамина В2 представляет собой желтое флюоресцирующее в ультрафиолетовых лучах вещество. Реакция на витамин В2 основана на способности его легко восстанавливаться; при этом раствор витамина В2, обладающий желтой окраской, приобретает сначала розовый цвет промежуточных соединений, а затем обесцвечивается, т.к. восстановленная форма витамина В2 бесцветна.
Качественная реакция на витамин РР (никотиновая кислота)
Принцип метода: витамин РР при нагревании с раствором ацетата меди образует синий осадок медной соли никотиновой кислоты, плохо растворимой.
Качественная реакция на витамин В6
Принцип метода: Витамин В6 при взаимодействии с раствором хлорного железа образует комплексную соль типа фенолята железа красного цвета.
Количественное определение витамина С
Биологическая роль аскорбиновой кислоты в организме многообразна. Она принимает участие в окислительно – восстаноновительных процессах и связана с системой глютатиона. Аскорбиновая кислота участвует в синтезе стероидных гормонов в коре надпочечников и катехоламинов в мозговом слое надпочечников и необходима для процесса гидроксилирования как кофактор для проявления действия ферментов гидроксилаз, например дофамингидроксилаза и др. Она участвует в образовании тетрагидрофолиевой кислоты из фолиевой кислоты, в гидроксилировании лизина в оксилизин, пролина в оксипролин, необходимых для образования коллагеновых волокон; ускоряет всасывание железа, активизирует фермент желудочного сока пепсиноген, что особенно важно при недостатке соляной кислоты в желудочном соке.
Практическая часть
Качественная реакция на витамин В1 (тиамин)
К диазореактиву, состоящему из 5 капель 1% раствора сульфаниловой кислоты и 5 капель 5% раствора нитрита натрия, добавляют 5 капель 5% раствора тиамина и затем по стенке, наклонив пробирку, осторожно добавляют 5 – 7 капель 10% раствора бикарбоната натрия. На границе двух жидкостей появляется кольцо оранжевого цвета.
Качественная реакция на витамин В2 (рибофлавин)
В пробирку наливают 10 капель раствора витамина В2, добавляют 5 капель концентрированной хлористоводородной кислоты и опускают зернышко металлического цинка. Начинается выделение пузырьков водорода, жидкость постепенно розовеет, затем обесцвечивается.
Качественная реакция на витамин РР (никотиновая кислота)
В пробирку набирают 5 – 7 капель 3% раствора витамина РР, затем приливают 7 – 10 капель 5% раствора ацетата меди. Выдерживают 2 – 3 мин. (не перемешивая), наблюдают выпадения осадка медной соли никотиновой кислоты.
Качественная реакция на витамин В6
На стекло нанести стеклянной палочкой 1 каплю 1% раствора витамина В6 и 1 каплю 1% раствора хлорного железа и перемешивают. Развивается красное окрашивание.
Количественное определение витамина С
Отвешивают 1 г продукта на роговых весах, растирают в ступке со стеклянным порошком, добавляют 2 мл 10% раствора хлористоводородной кислоты, приливают 8 мл воды и фильтруют. Отмеривают для титрования 2 мл фильтрата, добавляют 10 капель 10% раствора соляной кислоты и титруют 2,6 – дихлорфенолиндофенолом до розовой окраски, сохраняющейся в течение 30 сек в двух повторностях. Вычисляют среднее содержание аскорбиновой кислоты в 100 г продукта по формуле.
где
Х – содержание аскорбиновой кислоты в мг на 100 г продукта;
0,0088 – содержание аскорбиновой кислоты, мг;
А – результат титрования 0,0001Н раствором 2,6 – дихлорфенолиндофенола, мл;
Б – объем экстракта, взятый для титрования, мл;
В – количество продукта, взятое для анализа, г;
Г – общее количество экстракта, мл;
100 – пересчет на 100 г продукта.
В 100 г капусты содержится аскорбиновой кислоты 25 – 60 мг, в 100 г шиповника 500 – 1500 мг, а в хвое 200 – 400 мг.
Лабораторная работа 12 Качественные реакции на жирорастворимые витамины
Цель работы: Уметь проводить качественные реакции и обнаруживать в пищевых продуктах витамины.
Теоретическая часть
Жирорастворимые витамины
Как следует из названия, эти витамины хорошо растворимы в жирах и не растворимы в воде. Общим свойством данных витаминов является их способность накапливаться в организме в виде запасов, поэтому при недостаточном поступлении их с пищей авитаминозы и гиповитаминозы здесь развиваются медленнее, чем в группе водорастворимых витаминов.
Витамин А (ретинол, антиксерофтальмический), потребность − 1-2 мг/сутки
Ретинол
Этот витамин предохраняет человека и животных от ксерофтальмии − заболевания, связанного с нарушением роговой оболочки глаз. На первой стадии А-авитаминоза развивается сухость роговицы глаз, затем наступает размягчение и некротический распад роговицы. А-авитаминоз сопровождается сухостью кожи и слизистых оболочек в легких, кишечнике и других органах, что благоприятствует проникновению микробов через слизистую оболочку и возникновению инфекций.
Одним из характерных признаков авитаминоза-А является куриная, или ночная слепота, т. e. значительное ослабление зрения с наступлением сумерек. Это связано с тем, что светочувствительность глаза зависит от пигмента, называемого зрительным пурпуром, или родопсином, который находится в сетчатке глаза и состоит из белка опсина и ретиналя (альдегидная форма спирта ретинола). На свету родопсин расщепляется и в сетчатке глаза накапливается свободный витамин А, а в темноте он переходит в связанное состояние. Поэтому при недостатке в пище витамина А нарушается восстановление родопсина и резко снижается чувствительность глаза к слабому освещению.
Кроме того, при А-авитаминозе наблюдается общее истощение организма, нарушаются механизмы иммунитета. Витамин А влияет на процессы регуляции проницаемости мембран, транспорт углеводов, усвоение белков пищи.
Витамин А имеет несколько витамеров, наиболее распространенным из которых является витамин A1 (ретинол). Витамер А2 отличается от A1 наличием добавочной двойной связи в кольце. Биологическое же действие их одинаково.
Основными источниками витамина А служат яйца, сливки, коровье молоко, мясо, печень и жиры рыб, растительные продукты (морковь, перец), содержащие провитамины А− каротины.
Витамин D (кальциферол, антирахитический)
Изучение этого витамина было начато в 1916 г., впервые был синтезирован в 1931 г. Недостаток витамина D в пище приводит к возникновению у детей и молодняка сельскохозяйственных животных такого заболевания, как рахит. Важнейшим признаком рахита является нарушение процесса костеобразования, что приводит к размягчению костей до такой степени, что под влиянием тяжести туловища ноги искривляются. Нарушается нормальное развитие зубов. Мышцы становятся вялыми и расслабленными, отчего резко увеличивается живот.
У взрослых при недостатке витамина D и нарушении фосфорно-кальциевого обмена развивается заболевание остеомаляция.
Наиболее распространенным в группе витамеров D является витамин D2. Это производные стеринов. Витамин D2 образуется в opганизме при облучении ультрафиолетовыми лучами из провитамина 7-дегидро-холестерина.
Витамин D
Витамины группы D содержатся в значительных количествах в рыбьем жире, коровьем масле, в желтках куриных яиц, печени животных. Влияние витаминов группы D на обмен веществ выражается в том, что при недостатке витамина D затрудняется всасывание кальция и усиливается выделение фосфора с мочой, что приводит к нарушению костеобразования.
Потребность человека в витамине D зависит от возраста, условий жизни и соотношения солей фосфора и кальция в пище, в среднем до 25 мг/сутки.
Избыточное введение витамина D с пищей приводит к гипервитаминозу, который проявляется в сильной жажде, потере аппетита, рвоте и других патологических явлениях.
Витамин Е (токоферол, витамин размножения). Потребность 30 мг/сутки.
Этот витамин был открыт позже других − в 1936 г., а в 1938 г. − синтезирован. Было замечено, что если крыс длительное время кормить цельным молоком, которое, как позже было установлено, не содержит токоферола, то у последних теряется способность к размножению.
Е-авитаминоз по-разному проявляется у особей разного пола. У самцов при Е-авитаминозе полностью теряется способность к воспроизводству вследствие потери подвижности сперматозоидов. У самок же оплодотворение обычно наступает, но нарушается способность к нормальному вынашиванию плода, поэтому беременность не протекает до конца.
Весьма характерным признаком Е-авитаминоза является перерождение мышечной ткани и омертвение (некроз) отдельных ее участков.
α-токоферол
По химической структуре витамин Е является высокомолекулярным гетероциклическим спиртом − токоферолом. Механизм действия витамина Е заключается в том, что он функционирует как активный переносчик электронов в реакциях окислительного фосфорилирования. Это один из самых сильных антиоксидантов − препятствует перекисному окислению липидов. Поскольку ненасыщенные липиды входят в состав биологических мембран, то усиление окисления липидов при снижении содержания токоферола ведёт к нарушению структуры и биологической роли мембран.
Витамин Е содержится в проросшем зерне, семенах злаков, желтке яйца, сливочном масле, шиповнике.
Витамин К (филлохинон, антигеморрагический). Потребность − 10−15 мг/сутки
Филлохинон
При недостатке или отсутствии витамина в пище у животных и человека появляются подкожные или внутримышечные кровоизлияния − геморрагии. Так же наблюдается значительное снижение в крови протромбина, необходимого для свертывания крови.
Механизм действия витамина К заключается в том, что он способствует синтезу компонентов, участвующих в свертывании крови. Полагают, что витамин К входит в состав фермента, участвующего в синтезе протромбина, глобулярного белка, который постоянно находится в крови. Протромбин превращается в тромбин, а последний вызывает переход фибриногена в фибрин, что ведёт к свёртыванию крови. Витамин К вовлекается в биосинтез свёртывания крови, стимулируя ДНК-зависимый синтез соответствующей матричной РНК. Однако действие витамина К этим не ограничивается. Основная его функция состоит в переносе электронов при окислении органических соединений, сопряжённого с запасанием энергии у животных и в процессе фотосинтеза у растений.
Витамин К широко распространен в растениях (люцерна, шпинат, капуста, тыква, салат, ягоды рябины). Может быть синтезирован в организме кишечной микрофлорой.
В медицинской практике широко применяется бисульфитное производное витамина К − викасол. Он хорошо растворим в воде. Впервые викасол был синтезирован в 1942 г. А. В. Палладиным и применяется для предотвращения больших кровопотерь при операциях.
Витамин F − эссенциальные полиненасыщенные жирные кислоты. Здесь под общим названием объединяются линолевая − С17Н31СООН, линоленовая − С17Н29СООН, арахидоновая − С19 Н31СООН кислоты. При исключении их из рациона крыс были получены характерные признаки F-авитаминоза: задержка роста и падение веса, сухость и шелушение кожи, выпадение шерсти. У человека F-авитаминоз наблюдается очень редко, а у животных может привести даже к бесплодию.
Арахидоновая кислота находится преимущественно в жирах животного происхождения, а линолевая и линоленовая составляют основу растительных масел. Витамин F способен депонироваться в печени, селезенке, надпочечниках. Витамин F необходим для регенерации кожного покрова и его нормального роста, а арахидоновая кислота необходима для важных предшественников гормонов − простагландинов.
Незаменимые жирные кислоты используются в тканях для биосинтеза важнейших липидов, которые входят в состав биологических мембран; способствуют удалению у человека и животных холестерина, что предупреждает развитие атеросклероза. Витамин F стабилизирует запасы витамина A и этим облегчает его действие на процессы метаболизма.
Использование витамина А: В качестве лекарственных препаратов испoльзуют как природные витамины группы А (рыбий жир), так и полученные методом химического синтеза (аксероферол ацетат и пальмитат). В лечебных целях витамин А используют при инфекционных заболеваниях, ослаблении зрения, нарушениях функций желудочно-кишечного тракта. Витамин А показан в комплексной терапии сердечно-сосудистых заболеваний, а также при воздействии на организм токсических химических веществ. Препарат вводится в капсулах.
Применение витамина Д: Лекарственная форма витамина Д3 представляет собой масляный раствор, применяемый для профилактики рахита, при спазмофилии, гипокальциемии, остеомаляции и остеопорозе. В дозах, превышающих 15-20 мкг в день, витамин Д3 оказывает токсическое действие на почки и сердечно-сосудистую систему.
Применение витамина Е: В медицинской практике используют как природные так и синтетические препараты альфа-токоферола ацетата в растительном масле, заключенные в капсулы. Препараты витамина Е используются в качестве антиоксидантов при облучении и других патологических состояниях, связанных с повышенным содержанием в организме активных форм кислорода. Витамин Е назначают беременным женщинам в комплексной терапии лечения бесплодия. Показан этот витамин при мышечной дистрофии и некоторых заболеваниях печени.
Использование витамина К: Лекарственные формы витамина К – таблетки и капсулы, используют в качестве заместительной терапии при пониженной свертываемости крови. При повышенной свертываемости крови и образовании тромбов, в качестве лекарственных веществ, используются антагонисты витамина К –дикумарол и варфарин. Оба препарата блокируют образование протромбина и применяются для лечения тромбофлебитов, инфаркта миокарда.
Качественная реакция на витамин А
Принцип метода: Серная кислота, обладающая водоотнимающим свойством, способствует превращению витамина А в окрашенный комплекс фиолетово-красного цвета. Реакция специфичностью не обладает. \
Качественная реакция на витамин Д
Принцип метода: витамин Д при взаимодействии с анилиновым реактивом при нагревании окрашивается в красный цвет.
Качественная реакция на витамин Е
Принцип метода: спиртовой раствор α–токоферола окисляется хлоридом железа (ІІІ) в токоферилхинон и раствор окрашивается в красный цвет.
Практическая часть:
Качественная реакция на витамин А
На сухое предметное стекло наносят 2 капли рыбьего жира в хлороформе и 1 каплю концентрированной серной кислоты. Наблюдают за появлением окраски.
Качественная реакция на витамин Д
В сухую пробирку вносят 3 – 5 капель рыбьего жира и 5 капель хлороформа (или раствор витамина в масле), перемешивают и добавляют 1 мл смеси анилина и концентрированной соляной кислоты (15:1). При нагревании желтая эмульсия приобретает красную окраску. Через 1–2 мин эмульсия разделяется на два слоя, нижний из которых окрашен в интенсивный красный цвет.
Качественная реакция на витамин Е
В сухую пробирку берут 4 – 5 капель 0,1% спиртового раствора α–токоферола, прибавляют 0,5 мл 1% раствора хлорида железа, тщательно перемешивают. Содержимое пробирки приобретает красное окрашивание.
Лабораторная работа 13 Гормоны
Цель: Изучить химические свойства гормонов
Теоретическая часть
Общая характеристика гормонов
В процессе эволюции с возникновением многоклеточных организмов для обеспечения взаимодействия между клетками возникли нервная и эндокринная системы. Эти две системы регулируют функции организма, взаимодействуя между собой.
В эндокринную систему входят специальные железы, клетки которых выделяют во внутреннюю среду организма, т.е. в кровь и лимфу, химические регуляторы, получившие название гормонов. Термин "гормон" был предложен У. Бэйлисом и Э. Старлингом в 1902 году.
Гормоны − это органические соединения различной химической природы, вырабатываемые эндокринными железами (или железами внутренней секреции), которые транспортируются кровью и .лимфой к клеткам мишеням и активно влияют на процессы жизнедеятельности.
Как исключение, некоторые гормоны могут образовываться и непосредственно в клетках и других органах и тканях.
Гормоны, как и витамины, проявляют высокую биологическую активность в очень малых количествах, и это воздействие имеет ряд особенностей:
- строгая специфичность биологического действия – один гормон нельзя заменить другим;
- дистанционность действия – способность оказывать действие на значительном расстоянии от места их образования;
- относительно небольшой период жизни.
Гормоны, подобно витаминам, не являются ни пластическим, ни энергетическим материалом, однако, воздействуя на специализированные клетки мишени определенных органов или тканей, способны проявлять биологическую активность и интегрировать сложный процесс метаболизма путем изменения скорости ферментативных реакций.
В настоящее время считают, что гормоны являются активаторами или ингибиторами ферментов, изменяют проницаемость клеточных мембран, влияют на состояние митохондрий, в которых наиболее интенсивно протекают важнейшие процессы обмена веществ. Продукты превращения некоторых гормонов в соединении с белком приобретают каталитические свойства, становясь ферментами. Необходимо отметить, что деятельность эндокринных желез не автономна, а находится под контролем центральной нервной системы. Под прямым контролем нервной системы находятся не все гормоны, а лишь мозговое вещество надпочечников и гипоталамус, другие железы внутренней секреции связаны с нервной системой через гормоны гипоталамуса и гипофиза.
К железам внутренней секреции относятся: щитовидная, паращитовидная, поджелудочная, надпочечники, гипофиз, половые железы, зобная или вилочковая железа. Заболевания, связанные с нарушением функций эндокринных желез, можно рассматривать как следствие гипофункции железы − недостаточное образование гормона, либо гиперфункции ее − избыточное выделение гормона в кровь. Хирургическое удаление некоторых эндокринных желез (надпочечников, поджелудочной железы, околощитовидных желез) приводит к гибели организма. Удаление других желез изменяет те или иные функции организма, но не опасно для жизни. Как известно, кастрация животных (удаление половых желез) широко практикуется в сельском хозяйстве. Таким образом, различные эндокринные железы по своему значению для организма не равноценны. Из числа их особо следует выделить гипофиз, выделяющий большое количество различных гормонов и регулирующий деятельность многих других эндокринных желез.
Классификация и механизм действия гормонов
По химическому строению гормоны разделяют на группы.
Амины, или пептидные гормоны (инсулин) − имеют большую молекулярную массу. По химической природе являются белками и оказывают кратковременный эффект, но быстрый − их действие проявляется уже через несколько минут. Они не проникают внутрь клетки, а действуют через специфические рецепторы, связанные с ферментом аденилатциклазой, которая расщепляет АТФ после присоединения гормона и далее через систему сложных реакций происходит активация определенных ферментов внутри клетки, которые и осуществляют конечный эффект гормона. Описанный механизм гормонального действия аминов или пептидов можно представить следующей схемой (рисунок 2):
Рисунок 2 – Механизм действия пептидных гормонов
Пептидные гормоны синтезируются в нейросекреторных клетках головного мозга (гипофизе, гипоталамусе), щитовидной, паращитовидной и поджелудочной железах. Представители: инсулин, глюкагон, вазопрессин, паратгормон, кальцитонин, соматотропин и др.
Стероидные гормоны имеют относительно небольшой размер молекул, поэтому проникают внутрь клетки и с помощью специфических переносчиков − рецепторов транспортируются из цитоплазмы в клеточное ядро. В ядре гормон обратимо взаимодействует со специфическим участком ДНК, активирует определенный ген и индуцирует (посредством синтеза информационной РНК) биосинтез белка-фермента на рибосомах. Этот новый фермент реализует конечный гормональный эффект. Стероидные гормоны обеспечивают длительный эффект (рисунок 3).
Рисунок 3 – Механизм действия стероидных гормонов
К этой группе принадлежат гормоны, являющиеся производными полициклических спиртов – стеролов. Их синтез происходит в надпочечниках, семенниках, яичниках и некоторых других органах и тканях. Представители: альдостерон, гидрокортизон, кортикостерон, тестостерон и др.
Стероидные соединения, обладающие анаболическим действием, применяются в качестве биологических стимуляторов. В спорте анаболические стероиды стали широко применяться в 50-е годы прошлого столетия. Сначала их применяли тяжелоатлеты и культуристы, затем – метатели и толкатели. Регулярное применение анаболических стероидов оказалось довольно эффективным.
Термин «анаболический» означает, что эти соединения усиливают синтез или уменьшают деградацию цитоплазматических белков и стимулируют рост тканей в целом.
Все стероиды обладают андрогенным действием – при длительном их применении они в той или иной степени оказывают угнетающее влияние на деятельность мужских половых желез, нарушению нормальной половой жизни спортсмена. Женщины более чувствительны к таким препаратам. Данные препараты включены в список допингов (таблица 2).
Таблица 2 – Стероидные гормоны, используемые для оценки функционального состояния спортсменов
|
Гормон |
Концентрация в 1 мл крови |
Биологическое действие |
|
Альдостерон |
20-100 нг |
Регулирует обмен натрия |
|
Гидрокортизон |
50-100 нг |
Регулирует гликогенолиз и деградацию белков в скелетных мышцах |
|
Кортикостерон |
1,3-23 нг |
Регулирует гликогенолиз и деградацию белков в скелетных мышцах |
|
Тестостерон: мужчины женщины |
3-13 нг 0,1-0,3 нг |
Регуляция сперматогенеза; общее анаболическое действие |
Прочие гормоны. Эту группу составляют гормоны, не относящиеся к первым двум категориям. Синтезируются они в щитовидной железе, надпочечниках, репродуктивных органах и в некоторых тканях. Сюда относят: адреналин и норадреналин, тироксин и трийодтиронин.
Щитовидная железа
Вырабатывает гормоны тироксин, трийодтиронин, а также кальцитонин.
Впервые они были получены в 1914 г., а в 1926 была установлена их химическая формула. Первых два в своем составе имеют I2.
|
Тироксин |
Трийодтиронин |
Гипофункция щитовидной железы (недостаток) у детей приводит к замедлению обменных процессов, карликовому росту, уродливому строению тела и резкой задержке умственного развития − кретинизму. У взрослых вызывает заболевание − микседему, которая чаще встречается у женщин и характеризуется понижением водно-солевого, основного и жирового обмена, отечностью, ожирением и старческим видом. При недостатке I2 в пище и воде развивается эндемический зоб − наблюдается резкое увеличение железы за счет ее глубокого перерождения. Профилактика этого заболевания − введение в пищу I2.
При гиперфункции (избытке) гормонов щитовидной железы развивается Базедова болезнь, которая характеризуется повышением общего обмена и температуры тела, учащениям пульса, пучеглазием.
Кальцитонин − способен снижать содержание кальция в крови за счет торможения выделения кальция из костной ткани.
Паращитовидные железы
Очень маленькие железы, но играют важную физиологическую роль. Из них был выделен паратгормон – полипептид, состоящий из 84 аминокислотных остатков с молекулярной массой 8500, который повышает уровень кальция в крови. Его эффект противоположный кальцитонину. Кроме того, паратгормон влияет на возбудимость нервной системы. Вероятно, паратгормон совместно с витамином D и кальцитонином осуществляет контроль над распределением кальция, фосфора и магния между костями, тканями и жидкостями организма.
Поджелудочная железа
Это железа смешанной секреции. Функционируя как железа внешней секреции, она выделяет поджелудочный, или панкреатический сок, содержащий пищеварительные ферменты. Как железа внутренней секреции выделяет гормоны: инсулин, глюкагон и липокаин, соматостатин.
Инсулин по своей химической природе является белком с молекулярным весом 6000. Его молекула состоит из 2-х полипептидных цепей, соединенных дисульфидными мостиками. Химическая структура гормона была расшифрована Сэнгером в 1955 г., а в 1963 г. инсулин был получен синтетическим путём. Инсулин стимулирует систему, транспортирующую глюкозу через клеточную мембрану, главным образом в мышечных клетках; тормозит избыточное расщепление гликогена в печени и мышцах.
Недостаток инсулина в организме влечет за собой нарушение усвоения и использования углеводов; уровень сахара в крови повышается (гипергликемия), и значительная его часть теряется с мочой (гликозурия), развивается тяжелое заболевание − сахарный диабет. При сахарном диабете глубоко расстраивается не только углеводный, но и белковый и жировой обмены. При отсутствии лечения болезнь заканчивается смертью. Жизнь может быть сохранена только систематическим введением инсулина, минуя пищеварительный тракт. Инсулин способствует транспорту в клетки аминокислот и стимулирует биосинтез белка.
Глюкагон − одноцепочечный полипептид, состоящий из 20 аминокислотных остатков. Он также влияет на углеводный обмен, но действие его противоположно инсулину − он повышает содержание глюкозы в крови и стимулирует образование гликогена в печени. Помимо действия на углеводный обмен, глюкагон стимулирует липолиз в жировой ткани, который приводит к освобождению жирных кислот. Жирные кислоты поступают в качестве энергетического материала в печень и мышцы.
В конечном итоге роль инсулина и глюкагона сводится к поддержанию баланса глюкозы и других питательных веществ в крови и тканях.
Липокаин − это регулятор обмена липидов, усиливает расщепление жиров в печени, окисление жирных кислот. При его отсутствии развивается тяжелое ожирение печени.
Соматостатин по физиологическому действия идентичен соматостатину гипоталамуса.
Надпочечники
Надпочечники являются парными органами и состоят из двух морфологически разных слоев: внешнего коркового слоя и внутреннего − мозгового. Каждый из двух слоев обладает самостоятельной внутрисекреторной функцией.
Гормоны мозгового слоя надпочечников − это адреналин и норадреналин. Материалом для их образования служит аминокислота тирозин.
Адреналин – очень нестойкое вещество, легко окисляется. В тканях организма он подвергается превращениям с образованием различных веществ (адренохром, оксиадренохром), которые в соединении с белками приобретают способность катализировать различные окислительные процессы. У взрослых людей адреналина образуется в 10 раз больше, чем норадреналина.
|
Норадреналин |
Адреналин |
Норадреналин − по химической природе близок к адреналину и является его предшественником. Он всегда присутствует в мозговом веществе надпочечников и, кроме того, он образуется и выделяется в окончаниях симпатических нервов. Поэтому результаты действия адреналина и норадреналина совпадают с эффектом раздражения симпатических нервов. Адреналин и норадреналин, также как и инсулин, влияют на углеводный обмен, однако при избыточном поступлении их в кровь возникает противоположный эффект − резко повышается содержание глюкозы в крови (в норме содержание глюкозы составляет глюкозы 80 мг на 100 мл крови). В спокойном состоянии содержание адреналина в крови животных и человека невелико. Однако при физических напряжениях, охлаждениях, причинении боли, при резком эмоциональном возбуждении или стрессе повышается содержание адреналина в крови, что приводит к увеличению внутренних сил организма для ответной реакции. При этом происходит сильное сужение периферических кровеносных сосудов и учащение сокращения сердца, повышение кровяного давления. Под действием адреналина усиливается газообмен, теплопродукция, повышается интенсивность окислительных процессов. У человека адреналин играет существенную роль при подготовке его к выполнению повышенных нагрузок.
Норадреналин является предшественником адреналина и в меньшей степени влияет на повышение содержания глюкозы в крови.
При недостаточном функционировании надпочечников или их поражении у человека наблюдается темная пигментация кожи, которая получила название бронзовой, или аддисоновой болезни.
Гормоны коры надпочечников. Из коры выделено большое количество гормонов, получивших общее название кортикостероидов. Всего выделяется около 40 гормонов, из них 8 физиологически активных и только три постоянно выделяются в кровь. Это гидрокортизон, кортикостерон и альдостерон.
По химической природе стероиды являются производными циклопентанпергидрофенантрена, имеют кетонную группу у третьего и двойную связь между четвёртым и пятым углеродными атомами. Отличаются они различной степенью окисленности, что и определяет их неодинаковое биохимическое действие.
Гидрокортизон − при его избытке резко усиливается превращение аминокислот в углеводы, возрастает синтез гликогена и жиров, повышается содержание глюкозы в крови и, как следствие, развивается ожирение туловища, атрофируются мышцы, кости скелета становятся хрупкими, а конечности − худыми. Известно действие гидрокортизона и на форменные элементы крови и противовоспалительное действие.
Кортикостерон − при его недостатке наступает нарушение в обмене углеводов, белков, липидов и минеральных элементов. Это приводит к сердечной недостаточности, развитию отеков, мышечной слабости.
Альдостерон − регулирует обмен электролитов и воды. Альдостерон активирует натриевый насос в почках и изменяет проницаемость клеток для натрия; поддерживает оптимальный баланс между содержанием натрия и воды в клетках мышц, печени и мозга, оказывает влияние на содержание калия в плазме.
|
Гидрокортизон |
Кортикостерон |
Альдостерон
Под действием кортикостероидов увеличивается активность ряда ферментов (аргиназы, альдолазы, щелочной фосфатазы и др.).
Выделение кортикостероидов увеличивается при воздействии на организм различных повреждающих агентов (высокая и низкая температуры, недостаток кислорода, инфекции, отравления, перенапряжения организма при тяжёлой мышечной деятельности и т. п.). Это является проявлением одной из защитных реакций организма, т. к. сопровождается повышением устойчивости его к повреждающим факторам.
Половые железы
Половые гормоны вырабатываются половыми железами: семенниками и яичниками. Удаление половых желез – кастрация – было известно давно и применялось у животных для повышения их упитанности и для лучшего использования рабочего скота. Однако в середине 19 столетия было выяснено, что половые железы оказывают влияние на развитие вторичных половых признаков, рост, нервную систему, уровень окислительных процессов и т. д. Все половые гормоны являются производными холестерина и, кроме специализированных желез, частично могут вырабатываться в корковом слое надпочечников.
Выделено несколько веществ, обладающих действием мужских половых гормонов: андростерон, дегидроандростерон, тестостерон. Наиболее активным является тестостерон.
Тестостерон
Мужские половые гормоны обеспечивают нормальный рост мужских половых органов, развитие вторичных половых признаков у мужчин. Недостаток тестостерона, кроме того, ведет к замедлению биосинтеза белков, развитию ожирения, исчезновению волосяного покрова.
Женские половые гормоны отличаются от мужских отсутствием метильной группы (–СН3) у шестого атома углерода. Известно несколько женских половых гормонов. Из них наиболее активны эстрадиол, эстрон, эстриол.
Эстрадиол
Кроме того, жёлтое тело женских особей секретирует прогестерон и релаксин. Релаксин – полипептид с молекулярной массой 6 000. Он подготавливает матку и тазовые сочленения к родам. Прогестерон необходим для подготовки слизистой оболочки матки при закреплении оплодотворённого яйца.
Женские половые гормоны оказывают влияние на формирование вторичных половых признаков в период половою созревания, развития половых органов, обеспечивают детородную функцию женщин, формирование половых инстинктов, протекание беременности и родового акта, а также на развитие молочных желез и подготовки их к лактации. Кроме того, половые гормоны усиливают окислительные процессы в организме.
Гипофиз
Это одна из важнейших желез внутренней секреции. Анатомически гипофиз разделяют на три доли, каждая из которых выделяет в кровь присущие ей гормоны.
Гормоны передней доли гипофиза. Соматотропин − гормон роста, влияет на рост всего организма. Недостаточное поступление гормона вызывает замедление роста, повышенное − усиленный рост всего организма (гигантизм) или его отдельных частей (акромегалия). Гормон роста влияет на белковый и углеводный обмены.
Адренокортикотропный гормон − гормон белковой природы, образованный 39 остатками аминокислот. Стимулирует кору надпочечников, участвует в биосинтезе кортикостероидов и является веществом, повышающим устойчивость организма к повреждающим факторам (неблагоприятным воздействиям окружающей среды).
Тиреотропный гормон − стимулирует функцию щитовидной железы, влияет на скорость поглощения I2 из крови в щитовидной железе. Серусодержащий гликопротеид состоит из двух субъединиц с молекулярной массой 13 600 и 14 700.
Гонадотропные гормоны – фолликулостимулирующий, лютеинизирующий и пролактин. У женских особей фолликулостимулирующий гормон стимулирует развитие фолликулов; у самцов необходим для развития семенных канальцев. Лютеинизирующий гормон влияет на окончательное созревание фолликулов, разрыв фолликула и превращение его в жёлтое тело. Пролактин стимулирует образование молока. Все они оказывают влияние на процессы полового созревания и влияют на гормональную функцию половых желез.
Липотропины – полипептиды, оказывающие влияние на высвобождение жирных кислот из жировой ткани.
Гормоны задней и средней долей гипофиза.
Задняя доля гипофиза выделяет в кровь два гормона − вазопрессин, повышающий кровяное давление и уменьшающий диурез, и окситоцин, вызывающий сокращение гладкой мускулатуры (а у женщин сокращение мускулатуры матки во время родов). Оба они полипептиды по своей химической природе. Средняя доля гипофиза выделяет интермедии, который регулирует развитие пигментированных клеток в организме, и когерин – полипептид, оказывающий влияние на сократительную функцию кишечника.
Практическая часть
Опыт 1 Доказательство белковой природы инсулина
Биуретовая реакция
К 8−10 каплям раствора инсулина прибавляют 6–8 капель 10 %-ного раствора гидроксида натрия и 1–2-капли 1 %-ного раствора сульфата меди (II). Появляется сине-фиолетовое или красно-фиолетовое окрашивание, указывающее на наличие пептидных связей в молекулу инсулина.
Реакция Фоля
К 8−10 каплям раствора инсулина прибавляют 10−12 капель 30 %-ного раствора гидроксида натрия и 1−2-капли 5 %-ного раствора ацетата свинца (II). При длительном нагревании появляется чёрный (или бурый) осадок.
Реакция Милона
К 8−10 каплям раствора инсулина прибавляют 3−4 капли реактива Милона и осторожно нагревают. Жидкость окрашивается в красный цвет и выпадает красно-коричневый осадок.
Реакция Геллера
К 10−12 каплям концентрированной азотной кислоты по стенке наклонённой пробирки прибавляют (не допуская смешивания жидкостей) раствор инсулина. На границе двух слоёв жидкости образуется осадок белка в виде кольца.
Опыт 2 Обнаружение йода в препарате щитовидной железы
К половине таблетки тиреоидина (препарата, представляющего собой обезжиренную и высушенную щитовидную железу животных) прибавляют 10−12 капель концентрированной азотной кислоты. Для проведения гидролиза содержимое пробирки нагревают 1−2-мин (не допуская вспенивания). После этого в пробирку добавляют 8−10 капель 2 %-ного раствора йодата калия, который окисляет образовавшуюся при гидролизе йодистоводородную кислоту. После охлаждения содержимое пробирки разделяют на две части и открывают молекулярный йод по реакции с крахмалом (при добавлении 1−2 капель 1 %-ного раствора крахмала наблюдается синее окрашивание) или экстракцией йода хлороформом (при приливании 1 мл хлороформа, встряхивании и отстаивании хлороформный слой окрашивается в фиолетовый цвет).
Опыт 3 Качественные реакции на адреналин
Окисление адреналина йодатом калия
К 3−4 каплям раствора адреналина (1 : 1000) прибавляют 5−6 капель 2 %-ного раствора йодата калия и 10−12 капель 10 %-ного раствора уксусной кислоты. Жидкость слегка нагревают. Появляется красно-фиолетовое окрашивание.
Реакция с дихроматом калия
Раствор адреналина (3−4 капли) смешивают с 1−2-каплями 2 %-ного раствора дихромата калия. Жидкость окрашивается в коричневый цвет.
Проба с йодом
10−12 капель раствора адреналина (1 : 1000) смешивают с 1 каплей 0,1 %-ного раствора йода. При нагревании появляется розовое или красное окрашивание.
Диазореакция на адреналин
К свежеприготовленному диазореактиву (3 капли 1 %-ного раствора сульфаниловой кислоты в 2 %-ном растворе соляной кислоты и 3 капли раствора нитрита натрия) прибавляют 5−6 капель раствора адреналина (1 : 1000) и 4−5 капель 10 %-ного раствора карбоната натрия. Жидкость окрашивается в красный цвет.
Обнаружение группировки пирокатехина в молекуле адреналина
К 8−10 каплям раствора адреналина (1 : 5000) прибавляют 1 каплю 1 %-ного раствора хлорида железа (III). Содержимое пробирки окрашивается в изумрудно-зелёный цвет. От прибавления 1 капли концентрированного раствора аммиака окраска переходит в вишнёво-красную (или коричневую).
Опыт 4 Качественные реакции на фолликулин
Диазореакция на фолликулин
К 8−10 каплям спиртового раствора эстрона прибавляют 5−6 капель 10 %-ного раствора карбоната натрия и 6−8 капель свежеприготовленного диазореактива (см. предыдущую работу). Постепенно появляется бледно-жёлтое окрашивание (вследствие образования азокрасителя).
Реакция с концентрированной серной кислотой
Пробирку с 15−16 каплями спиртового раствора фолликулина помещают в кипящую водяную баню на 5−6 мин для удаления спирта. К оставшемуся фолликулину прибавляют 20−25 капель концентрированной серной кислоты и вновь нагревают на водяной бане до появления жёлтого, а затем оранжевого окрашивания (имеющего зелёную флуоресценцию).