Министерство здравоохранения Республики Беларусь

Учреждение образования

«Гомельский государственный медицинский университет»

Кафедра общей и биоорганической химии

Обсуждено на заседании кафедры ___________________

Протокол №_____________________________________

Методическая разработка

для проведения занятия со студентами

I курса медико-диагностического факультета в I семестре

по общей и биоорганической химии

Тема № 12: Измерение электродных потенциалов

Время: 2,5 часа

1. УЧЕБНЫЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ:

Ознакомить студентов с теоретическими основами электрохимии, а также с использованием электрохимических методов, в частности, потенциометрии, для медико-биологических исследований. Обучить методам экспериментального определения рН водных растворов и познакомить с методикой потенциометрического титрования.

МОТИВАЦИЯ ДЛЯ УСВОЕНИЯ ТЕМЫ:

Методы потенциометрии широко используются в клиническом анализе и практике санитарно-гигиенических исследований. С помощью потенциометрических методов возможно определение концентрации физиологически активных ионов (H₃O⁺, K⁺, Na⁺, Ca²⁺, NH₄⁺, Cl¯, Br¯, I¯) в биологических жидкостях и тканях. Потенциометрическое титрование применяется для определения концентрации биологически активных и лекарственных веществ. При помощи ферментных электродов выполняют определение содержания глюкозы, мочевины, аминокислот и других метаболитов. Газовые электроды позволяют контролировать состояния воздушной среды.

ТРЕБОВАНИЯ К ИСХОДНОМУ УРОВНЮ ЗНАНИЙ:

а) понятие об ОВР. Важнейшие окислители и восстановители;

б) способы расстановки коэффициентов в уравнениях ОВР: методы электронного баланса и полуреакций (ионно-электронных схем).

В результате проведения занятия студент должен:

1) знать:

• классификацию электродов и их устройство;

• устройство и принцип действия гальванических элементов;

• механизмы возникновения электродных, окислительно-восстановитель-

ных, диффузионных и мембранных потенциалов;

• сущность прямой потенциометрии и потенциометрического титрования.

2) уметь:

• составлять схемы гальванических элементов;

• прогнозировать направление протекания окислительно-восстановитель-

ных реакций;

• рассчитывать окислительно-восстановительные потенциалы;

• рассчитывать ЭДС гальванического элемента;

• осуществлять потенциометрическое титрование;

• определять концентрации растворов слабых кислот и констант их диссоциации потенциометрическим методом.

2. СВЯЗЬ СО СМЕЖНЫМИ ДИСЦИПЛИНАМИ:

Полученные знания о теоретических основах электрохимических процессов и потенциометрических методах исследования потребуются студентам при изучении курсов медицинской физики, биологии, нормальной и патологической физиологии, функциональной диагностики.

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ:

3.1 Электродные и окислительно-восстановительные (ОВ) потенциалы; механизм их возникновения и зависимость от различных факторов. Уравнение Нернста для вычислений значений потенциалов.

3.2 Гальванические элементы (химические и концентрационные): механизм действия и расчет ЭДС. Измерение электродных и ОВ потенциалов.

3.3 Обратимые электроды первого и второго рода (водородный и хлорсеребряный). Ионоселективные электроды: стеклянный электрод, устройство и механизм возникновения мембранного потенциала.

3.4 Потенциометрическое титрование, его сущность и использование в количественном анализе и медико-биологических исследованиях.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЗАНЯТИЯ:

Лабораторная работа 1

Потенциометрическое определение концентрации раствора слабой кислоты и константы ее диссоциации (константы кислотности)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Определить концентрацию уксусной кислоты в растворе и ее константу кислотности (К_а.).

С этой целью к раствору уксусной кислоты приливают малыми порциями раствор калий гидроксида с известной концентрацией и после каждого добавления титранта измеряют значение рН. При титровании раствора уксусной кислоты щелочью протекает реакция:

CH₃COOH + OH^¯ → H₂O + CH₃COO^¯

Окончанию реакции соответствует появление резкого изменения рН раствора (скачка титрования), что проявляется в виде почти вертикальной линии при построении кривой потенциометрического титрования. Кривая потенциометрического титрования выражает графическую зависимость рН раствора от объема приливаемой щелочи. Из середины скачка титрования (эквивалентная точка) опускают перпендикуляр на ось абсцисс и получают эквивалентный объем титранта.

Из соотношения

V(KOH)·Cм(KOH) = V(CH₃COOH)·Cм(CH₃COOH)

определяют концентрацию уксусной кислоты в растворе.

Для определения К_а по кривой потенциометрического титрования находят рН раствора, соответствующий добавлению к раствору уксусной кислоты половины эквивалентного объема калий гидроксида. Для более точного определения К_а. к раствору кислоты добавляют половину эквивалентного объема титранта и измеряют значение рН. Поскольку в этом случае кислота нейтрализована на 50%, то концентрация кислоты равна концентрации соли, т.е.

См(СН₃СООН) → См(СН₃СОО^¯)

Соответственно

,

тогда из уравнения следует, что К_а. = [Н⁺], а рН = рК (рК_а = – lgК_а).

ВЫПОЛНЕНИЕ ОПЫТА: В стакан для титрования с помощью аналитической пипетки добавляют 10 мл раствора уксусной кислоты. Опускают в раствор стеклянный и хлорсеребряный электроды и измеряют исходное значение рН раствора.

После измерения исходного значения рН раствора, его титруют, добавляя щелочь из бюретки порциями, объем которых указан в таблице 1. После добавления каждой порции титранта, раствор тщательно перемешивают круговыми движениями (или с помощью мешалки) и измеряют величину рН раствора. Результаты измерений записывают в таблицу. По данным таблицы строят кривую потенциометрического титрования (рис.). По кривой потенциометрического титрования определяют объем щелочи, пошедшей на титрование кислоты до точки эквивалентности. Для этого из середины прямолинейного отрезка на кривой титрования опускают перпендикуляр на ось абсцисс. Отрезок, отсекаемый на оси абсцисс, соответствует эквивалентному объему раствора щелочи KOH. Концентрацию кислоты рассчитывают по формуле:

,

где С_м(КОН) – молярная концентрация щелочи, моль/л

V(КОН) – эквивалентный объем щелочи, мл

V (СН₃СООН) – объем взятой кислоты, мл

Таблица

№ пп	Общий объем титранта, мл	Объем добавляемого титранта, мл	рН раствора
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.	0 1 2 3 4 5 6 7 8	0 1 1 1 1 1 1 1 1

рН 13

12

11