Контрольні запитання

1. Що таке білок.

2. Структура білків.

3. Прості і складні білки.

4. Денатурація білків

5. Функції білків (каталітична, структурна, захисна, сигнальна, регуляторна, транспортна, моторна, запасна функція).

6. Фізико-хімічні властивості білків.

7. Реакції осадження білків.

8. Кристалізація.

9. Висолювання білків

10. Розділення альбумінів і глобулінів методом висолювання

11. При якій концентрації сульфату амонію випадає в осад глобулін та альбумін.

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Шмидт, В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов / В. Шмидт.- М.: Техносфера, 2007. - 368 с.

2. Нельсон, Д. Основы биохимии Ленинджера. В 3 т. / Д. Нельсон, М. Кокс. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. - 694 с.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4

РОЗЧИНИ. ПРИГОТУВАННЯ РОЗЧИНІВ СОЛЕЙ

Мета роботи: Ознайомитися з фізико-хімічною природою процесу розчинення, розчинністю речовини, видами розчинів та їх основними властивостями. Навчитися готувати розчини з заданою масовою долею кристалічних солей (%) та розведенням концентрованих розчинів. Навчитися визначати концентрацію розчину за допомогою ареометра.

План

1. Розчин, розчинник, розчинена речовина.

2. Розчинення як фізико-хімічний процес.

3. Константа розчинності.

4. Розчини ненасичені, насичені та пересичені.

5. Поняття "концентрація розчину".

6. Способи вираження концентрації розчинів.

7. Густина розчинів.

8. Ареометр. Вимірювання густини за допомогою ареометра.

9. Масова та об'ємна доля розчиненої речовини.

Реактиви

Кристалічні солі та кристалогідрати, розчин NaCl та KCl невідомої концентрації, вода дистильована

Матеріали та обладнання

Стакани на 50, 100,150 мл, циліндри мірні на 100 та 200 мл, конічні колби на 100 та 200 мл, палички скляні, піпетки, воронки, шпателі, резинові груши, ареометр, ваги.

Загальні відомості

Розчини відіграють важливу роль в житті і практичній діяльності людини. Більшість фізіологічних процесів в організмах людини, тварин і рослин, промислових процесах, біохімічних процесах в грунтах протікають в розчинах. Усі найважливіші біологічні системи (цитоплазма, кров, лімфа, слина та ін.) є водними розчинами солей, білків, вуглеводів, ліпідів. Засвоєння їжі, транспорт метаболітів, більшість біохімічних реакцій в живих організмах протікають в розчинах. Виробництва, в основі яких лежать хімічні процеси, зазвичай також пов'язані з використанням розчинів.

У практиці знаходять застосування як водні, так і неводні розчини. Розчином називається термодинамічно стійка гомогенна (однофазна) система, що складається з двох або більше компонентів (хімічних речовин). Склад розчинів може мінятися безперервно в певних межах. Розчини бувають рідкими, твердими і газоподібними.

Рідкі розчини - це розчини солей, цукру, спирту у воді. Рідкі розчини можуть бути водними і неводними.

Водні розчини - це розчини, в яких розчинником є вода.

Неводні розчини - це розчини, в яких розчинниками є органічні рідини(бензол, спирт, ефір і так далі).

Тверді розчини - сплави металів, кольорове скло.

Газоподібні розчини - повітря, суміші газів.

Компонентами розчину є розчинник і розчинена речовина.

Розчинником прийнято вважати компонент, агрегатний стан якого не змінюється при утворенні розчину або компонент, вміст якого в розчині більше вмісту інших компонентів, які називають розчиненими речовинами. Якщо ж обидва компоненти до розчинення знаходилися в однаковому агрегатному стані (наприклад, спирт і вода), то розчинником вважається компонент, що знаходиться у більшій кількості.

Розчинники можуть бути рідкими або твердими, а речовини, що розчиняються, можуть знаходитися у будь-якому з трьох агрегатних станів. Найбільше практичне значення мають рідкі розчини, зокрема водні розчини, в яких розчинником є вода.

Розчинення - це фізико-хімічний процес, при якому :

- відбувається руйнування структури речовини, що розчиняється, і розподіл її часток між молекулами розчинника (фізичний процес);

- молекули розчинника взаимодіють з частками розчиненої речовини (хімічний процес). В результаті такої взаємодії утворюються сольвати. Якщо розчинником є вода, то сольвати, що утворилися, називаються гідратами.

Процес утворення сольватів називається сольватацією, процес утворення гідратів - гідратацією.

При упарюванні водних розчинів утворюються кристалогідрати - кристалічні речовини, до складу яких входять молекули води (кристалізаційна вода). Приклади кристалогідратів: CuSO₄∙5H2O; FeSO₄ ٠ 7H₂O.

Якщо в результаті гідратації (сольватації) виділяється більше енергії, ніж її поглинається при руйнуванні структури речовини, то розчинення - екзотермічний процес. Виділення енергії відбувається при розчиненні NaOH, H₂SO₄, Na₂CO₃, ZnSO₄ і інших речовин.

Якщо для руйнування структури речовини потрібно більше енергії, ніж її виділяється при гідратації, то розчинення - ендотермічний процес. Поглинання енергії відбувається при розчиненні у воді NaNO₃, KCl, NH₄NO₃, K₂SO₄, NH₄Cl і деяких інших речовин.

Кількість енергії, яка виділяється або поглинається при розчиненні, називається тепловим ефектом розчинення.

Розчинність це здатність речовини розподілятися в іншій речовині у вигляді атомів, іонів або молекул з утворенням термодинамічно стійкої системи змінного складу.

Кількісною характеристикою розчинності є коефіцієнт розчинності, який показує, яка максимальна маса речовини може розчинитися в 1000 або 100 г води при цій температурі.

Розчинність речовини залежить від природи розчинника і речовини, від температури і тиску (для газів). Розчинність твердих речовин в основному збільшується при підвищенні температури. Розчинність газів з підвищенням температури зменшується, але при підвищенні тиску збільшується.

По розчинності у воді речовини ділять на три групи:

1. Добре розчинні (р.) - розчинність речовин більше 10 г в 1000 г води. Наприклад, 2000 г цукру розчиняється в 1000 г води, або в 1 л води.

2. Малорозчинні (м.) - розчинність речовин від 0,01 г до 10 г в 1000 г води. Наприклад, 2 г гіпсу (CaSO₄ ^. 2 H₂O) розчиняється в 1000 г води.

3. Практично нерозчинні (н.) - розчинність речовин менше 0,01 г в 1000 г води. Наприклад, в 1000 г води розчиняється 1,5 ^. 10^3 г AgCl.

Константа розчинності. Розглянемо процеси, що виникають при взаємодії малорозчинного, але сильного електроліту сульфату барію BaSO₄ з водою. Під дією диполів води іони Ba²⁺ і SO₄^2 з кристалічної решітки BaSO₄  переходитимуть в рідку фазу (рис.4.1).

Рис. 4.1. Насичений розчин сульфату барію. Іони Ba²⁺ і SO₄^2 у розчині знаходиться в рівновазі з твердою фазою кристалічного BaSO₄.

Одночасно з цим процесом під впливом електростатичного поля кристалічної решітки, частина іонів Ba²⁺ і SO₄^2 знову осідатиме. При цій температурі в гетерогенній системі встановиться рівновага, при якій швидкість процесу розчинення (V₁) дорівнюватиме швидкості процесу осадження (V₂), тобто V₁ = V₂ або BaSO₄ ⇄ Ba²⁺ + SO₄^2

Насичений розчин є рівноважною гетерогенною системою, яка характеризується константою хімічної рівноваги :

a(Ba²⁺) ^. a(SO₄^2-)

К_{хім.рівноваги}  = ------------------------- ,

a (BaSO₄)

де a (Ba²⁺) – активність іонів барию;

a(SO₄^2-) – активність сульфат-іонів; a (BaSO₄) – активність молекул сульфату барію.

Активність кристалічного BaSO₄  в знаменнику - величина постійна і рівна 1. Добуток двох констант дає нову постійну величину, яку називають термодинамічною константою розчинності і позначають К_s^ : К_s^ = a(Ba²⁺) ^. a(SO₄^2-).

Таким чином, в насиченому розчині малорозчинного сильного електроліту добуток рівноважних активностей його іонів є величиню постійню при даній температурі.

Якщо прийняти, що в насиченому розчині малорозчинного електроліту коефіцієнт активності f~1, то активність іонів у такому разі можна замінити на їх концентрацію, оскільки а = f(X) . С(X). Термодинамічна константа розчинності К_s^° перейде в концентраційну константу розчинності К_s:

К_s = С(Ba²⁺) ^. С(SO₄^2-), де С(Ba²⁺) і С(SO₄^2) – равноважні концентрації іонів Ba²⁺ і SO₄^2 (моль/л) в насченому розчині сульфату барія.

Для спрощенні розрахунків звичайно користуються концентраційною константою розчинності К_s  і приймають f (Х) = 1.

В загальному вигляді вираз концентарційної константі розчинності для електроліта A_mB_n ⇄ m Aⁿ⁺ + n B^m має вигляд:

K_s = С^m (Aⁿ⁺) ^. Сⁿ (B^m),

де С концентрації іонів Aⁿ⁺ і B^m в насиченому розчині електроліту в моль/л.

Розчини речовин можуть бути ненасичені, насичені і пересичені.

Ненасичений розчин утворюється при розчиненні твердої речовини у воді, коли можливе розчинення наступних порцій речовини.

Ненасичений розчин містить менше розчиненої речовини, ніж насичений за даних умов. При додаванні речовини в такий розчин речовина ще може розчинятися і утворюється насичений розчин.

Насиченим розчином називається такий розчин, який знаходиться в рівновазі з твердою фазою розчиненої речовини і містить максимально можливу за даних умов кількість цієї речовини. При додаванні речовини в такий розчин речовина більше не розчиняється і випадає в осад. Тобто речовина в розчині знаходиться в рівновазі з твердою фазою (осадом).

Між речовиною в насиченому розчині і тією ж речовиною в осаді встановлюється стан гетерогенної рівноваги.

KBr_(т)  KBr_{(насичений розчин)}

Частинки розчиненої речовини переходять з осаду в розчин і назад. При цьому склад насиченого розчину залишається постійним при T=const.

Мірою розчинності речовини є її максимальний вміст в насиченому розчині за даних умов.

Якщо приготувати розчин в особливих умовах (обережно охолодити гарячий насичений розчин) це приведе не до утворення насиченого розчину з осадом, а до утворення пересиченого розчину без утворення осаду. При внесення в такий розчин затравки у вигляді кристала тієї ж речовини або іншої речовини з подібною кристалічною формою, в осад випадає (кристалізується) надлишок розчиненої речовини, а розчин стає насиченим (стабільним) і в ньому встановлюється рівновага.

Пересичений розчин - це розчин, в якому при певній температурі міститься більше розчиненої речовини, ніж в насиченому розчині при цій же температурі.

Концентрація - це кількісний склад розчину. Концентрація є важливою характеристикою будь-якого розчину.

Для якісної характеристики розчинів використовують поняття "розбавлений розчин" і "концентрований розчин".

Концентрований розчин це розчин з високим вмістом розчиненої речовини у протилежність розбавленому розчину, що містить малу кількість розчиненої речовини.

Розбавлений розчин - розчин з низьким вмістом розчиненої речовини.

Примітка. Не завжди розбавлений розчин є ненасиченим. Наприклад:

а) 0,0000134 М розчин AgCl є дуже розбавленим, але оскільки сіль AgCl практично нерозчинна, то такий розчин є насиченим.

б) 4 М розчин KBr дуже концентрований, але не є насиченим (тобто сіль KBr може і далі розчинятися).

Отже, вміст розчиненої речовини в насиченому розчині рівний, в ненасиченому розчині менший і пересиченому більший її розчинності при даній температурі.

Розчинність солей (KBr, NaCl) з підвищенням температури зазвичай збільшується і лише для деяких речовин спостерігається зворотне явище (CaSO₄, Li₂CO₃) (таблиця 4.1).

Таблиця 4.1