Metod_Medical_chem_1_Stomat

№	Реактиви	1		2	3			4	5			6		7		8		9		10
п/
п
1	Na2S2O3	1		–	2		–		3		–		4		–		5		–
2	H2O	4		–	3		–		2		–		1		–		0		–
3	H2SO4	–		5	–		5		–		5		–		5	–			5
4	Концентрація	0,1				0,2				0,3				0,4					0,5
	Na2S2O3
5	Час, t, с
6	Умовна швидкість
	V=1/t

Зливаючи попарно розчини двох пробірок ( 1 та 2; 3 та 4 і т.д.), відмітити час появи каламуті (в с). За формулою V= 1/t обчислити умовну швидкість рекакції. Побудувати графік залежності V=f(C). Зробити висновок про вплив концентравції на швидкість реакції.

Завдання 5. Вплив каталізатора на швидкість реакції.

Досліджується реакція окислення йодидної кислоти надсірчанокислим амонієм.

(NH4)2S2O8 + 2HI → 2NH4HSO4 + I2

Каталізатором реакції є молібдат амонію ((NH4)2S2O8). Йод, що виділяється, виявляють за допомогою крохмалю (поява синього забарвлення розчину).

У дві колби налити по 30 мл 0,05 М (NH4)2S2O8 та 0,25 М H2SO4 і додати по 1 мл свіжого розчину крохмалю. Одночасно долити в кожну колбу по 5 мл 0,5 М розчину KI та в одну з них 2 краплі 0,05 М (NH4)2S2O8 розведені 5 мл води. Відмітити час появи (t, c) синього забарвлення в першій і другій колбах. Зав формулою V=1/t обчислити умовну швидкість реакції. Поснити вплив каталізатора на швидкість хімічної реакції.

Завдання 6. Визначення константи швидкості реакції гідролізу сахарози. Досліджується каталітична псевдомономолекулярна реакція:

	Н+
С12Н22О11 + Н2О ¾¾® С6Н12О6 + С6Н12О6
сахароза	глюкоза	фруктоза

У даній реакції беруть участь оптично-активні речовини, що повертають площину поляризації світла на певний кут: сахароза (α= +66,550), глюкоза (α= +52,550), фруктоза (α= –91,9 0). В міру проходження реакції сумарний кут обертання площини поляризації зменшується і під кінець реакції стає навіть від’ємним.

51

Методика виконання роботи. Готують 30 г розчину сахарози вказаної викладачем концентрації (5 – 25 %). Профільтрувавши розчин, заповнюють ним поляриметричну трубку та вимірюють кут обертання (α) і ділять його величину на 2 (α0), тому що надалі матимемо розчин розведений у два рази. Зливають розчин сахарози в мірний циліндр і доливають такий же об’єм 2 М розчину соляної кислоти (каталізатор). Момент змішування розчинів відмічають на годиннику і записують його як час початку реакції. Заповнюють цим розчином поляриметричну трубку і вимірюють кут обертання через 5, 10, 35 та 60 хв від початку реакції. Результати вимірів заносять в таблицю:

	№	Час початку	Час від початку	Кут обертання в	Константа
		реакції (за	реакції	градусах	швидкості
	п/п
		годинником)	τ, хв.	α	К
	1
	2
	3
	4

Щоб швидко довести реакцію до кінця, потрібно залишок реакційної суміші нагріти в колбі протягом 30 хв на водяній бані при 60 – 70 0С. Після охолодження розчину вимірюють кут обертання (α).

Розраховати константу швидкості для кожного проміжку часу за формулою:

К= 2,303 lg α0 − α∞ ,

τατ − α∞

де α0 – кут обертання у момент початку реакції; ατ – кут обертання через час τ від моменту початку реакції;

α∞ – кут обертання після закінчення реакції (після нагрівання).

Обчислити середнє значення константи швидкості реакції (К). Зробити висновок, від яких факторів залежить константа швидкості, зокрема, чи залежить вона від часу та концентрації реагуючих речовин.

V. Узагальнення результатів роботи та зарахування теми.

52

Заняття № 9

Тема: Визначення електродних потенціалів

Значення матеріалу теми. Одним із важливих сучасних електрохімічних методів дослідження є потенціометрія – метод, що базується на вимірюванні ЕРС гальванічних елементів, у яких за рахунок зміни внутрішньої енергії генерується електричний струм. Хімічні джерела електричного струму мають широке застосування у вимірювальних приладах, у радіозв’язку, на транспорті, космічних апаратах, в побуті, тощо. Важливою перевагою гальванічних елементів є відсутність забруднень навколишнього середовища, бо вони не утворюють шкідливих продуктів, як це відбувається, наприклад, при згорянні палива.

У контрольно-аналітичних лабораторіях і в клінічних умовах на основі вимірювання ЕРС і величини електродних потенціалів визначають концентрацію іонів та коефіцієнт активності електролітів, розчинність і добуток розчинності важкорозчинних електролітів.

Потенціометричне титрування – метод інструментального аналізу, який широко застосовується у різних галузях техніки та промисловості, у фармації та медицині. Потенціометричним титруванням можна проаналізувати кілька компонентів без їх розділення, кількісно визначати концентрацію лугів, кислот і солей у забарвлених і каламутних розчинах та неводних середовищах.

Мета заняття. Засвоїти компенсаційний метод вимірювання ЕРС гальванічних елементів та електродних потенціалів.

Засвоїти методику визначення концентрації розчинів кислот та основ методом потенціометричного тиитрування.

Форма заняття: лабораторно-практичне.

Домашня підготовка до заняття

I. Засвоїти матеріал навчальної програми.

Роль електрохімічних явищ в біологічних процесах.

Електродні потенціали та механізм їх виникнення. Рівняння Нернста. Нормальний (стандартний) електродний потенціал. Нормальний водневий електрод. Вимірювання електродних потенціалів. Електроди визначення та електроди порівняння. Хлорсрібний електрод. Іонселективні електроди.

Скляний електрод. Гальванічні елементи.

Роль окисно-відновних реакцій в процесах життєдіяльності. Окисновідновний потенціал як міра окисної та відновної здатності систем. Рівняння Петерса. Нормальний окисно-відновний потенціал.

53

Прогнозування напрямку окисно-відновних реакцій за величинами окисно-відновних потенціалів. Еквівалент окисника та відновника. Значення окисно-відновних потенціалів у механізмі процесів біологічного окиснення.

Сутність методу потенціометрії. Електрохімічні процеси в порожнині рота. Захисні плівки.

II.Дати письмові відповіді на контрольні запитання.

1.Як виникає електродний потенціал і від чого залежить його величина? Рівняння Нернста.

2.На прикладі елемента Якобі– Даніеля покажіть механізм виникнення ЕРС.

3.Зарисуйте схему компенсаційної установки та поясніть суть компенсаційного методу вимірювання ЕРС.

4.Наведіть приклади електродів I і II роду. Чим вони відрізняються?

5.Які електроди називають окислювально-відновними? Наведіть приклади. Від чого залежить і як розраховується редокс-потенціал?

6.У чому полягає суть потенціометричного визначення рН розчинів? Які електроди називають іоноселективними? Яка будова скляного електрода і як за його допомогою визначити рН середовища?

7.У чому полягає суть потенціометричного титрування? Який вигляд мають інтегральна та диференціальна криві потенціометричного титрування?

III.Розв'язати задачі.

а) Алгоритм розв'язання типових задач

Задача 1. Розрахувати ЕРС акумулятора (Еак), якщо його струм у компенсаційній схемі зрівноважується елементом Вестона (Ев=1,018 В) на відрізку а = 485 мм реохорда довжиною 1000 мм.

Алгоритм розв’язання Використовуємо співвідношення при якому настає компенсація струмів у

колі і обчислюємо ЕРС акумулятора:
	Еак	=	1000	;	Еак	=	ЕВ1000	=	1,018 ×1000	= 2,099 B .
	ЕВ
			а				а	485

Задача 2. Обчислити потенціал плюмбієвого електрода, з’єднаного з хлорсрібним електродом (ех.с.е.= 0,222 В) у гальванічний елемент, який на відрізку а = 157 мм компенсує струм акумулятора (Еак=2,02

54

В), що під’єднаний до реохорда довжиною 90 см. Скласти схему цього гальванічного елемента, вказавши знаки заряду електродів.

Алгоритм розв’язання Враховуючи ряд напруг металів, складемо схему гальванічного елемента.

Дотримуємось рекомендації записувати зліва той електрод, що має негативний заряд. Замість КСl– агарового містка, використовуємо КNО3– агаровий місток (бо КСl утворює осад із солями Pb2+).

(–)Pb | Pb(NO3)2 | KNO3 | КCl, AgCl | Ag (+)

2.Обчислимо ЕРС цього елемента (Еел) компенсаційним методом

Еак	=	900	;	Еел	=	Еак × а	=	2,02 ×157	= 0,352 В
Еел
		а			900		900

3. Оскільки ЕРС є різницею електродних потенціалів, розраховуємо потенціал плюмбієвого (е– ) електрода:

Ее = е+– е– ; е– = е+ – Еел = 0,222–0,352 = –0,13 В.

Задача 3. Знайти рН і концентрацію іонів водню [Н+] у шлунковому соку, в якому міститься хінгідронний електрод, що з’єднаний КСl-агаровим містком із насиченим каломельним електродом і створює ЕРС величиною 0,186 В при 25 0С. Стандартний потенціал хінгідронного та каломельного електродів становить 0,699 і 0,244 В відповідно.

Алгоритм розв’язання

1.Записуємо схему гальванічного елемента і формулу для розрахунку ЕРС:

(–)Hg | Hg2Cl2, KCl | KCl | Шлунковий сік, насичений хінгідроном | Pt(+)

Е = е+– е– = 0,699 – 0,059 рН – 0,244 В 2.Обчислюємо рН шлункового соку

= 0,699 − 0,244 − E = 0,455 − 0,186 =

pH 4,56 0,059 0,059

3. Визначаємо концентрацію іонів водню [H+]

pH = –lg[ Н+] = 4,56; [Н+] = antilg(–4,56) = 2,76·10 –5 моль/л.

Задача 4. Побудувати криві потенціометричного титрування та розрахувати концентрацію розчину HCl, якщо при титруванні 10,0 см3 шлункового соку 0,1 М розчином NaOH одержано такі результати:

	V, см3	0	1,0	2,0	3,0	3,5	3,6	3,7	4,0	5,0	6,0	7,0	8,0
	NaOH
	E,	–523	–511	–495	–446	–337	–270	–60	123	17	19	20	213
	EPC,
										3	5	7
						55

мВ
Алгоритм розв’язання
1. На міліметровому папері будуємо графік залежності Е – V ( інтегральну
криву), відкладаючи на осі абсцис об’єм титранта (V), а						на осі ординат ЕРС
(Е). Знаходимо точку еквівалентності, що відповідає середині стрибка ЕРС
(рис. 1,а).E, ì Â					E , ì Â/ ì ë
мВ						ò.å.
200					V мВ/мл
						е.т.
100					1200
0					1000
-100			ò.å.		800
-200
		е.т.			600
-300					400
-400
-500				à	200			á
				а				б
0	2	4	6	V , ì ë	0 2	4	6	V , ì ë
				Tмл				Tмл
	Рис. 1. Криві потенціометричного титрування:
			а –	інтегральна; б – диференціальна
2.Опускаємо перпендикуляр з еквівалентної точки на вісь абсцис і
знаходимо еквівалентний об’єм титранта (VT). VT = 3,7 см3.
3. На міліметровому папері будуємо					графік залежності			Е/	V –	V
(диференціальну криву), відкладаючи на осі абсцис об’єм титранта (V), а										на
осі ординат відношення				зміни ЕРС ( Е) від зміни об’єму титранта (					V), яке
розраховуємо з експериментальних даних ( рис. 1,б).

	V, см3	0	1,0	2,0	3,0	3,5	3,6	3,7	4,0	5,0	6,0	7,0	8,0
	NaOH
	E,	–523	–511	–495	–446	–337	–270	–60	123	17	19	20	213
	EPC,
										3	5	7
	мВ
	E/ V		12	16	49	218	670	210	549	50	22	12	6
								0

Опускаємо перпендикуляр з еквівалентної точки на вісь абсцис і знаходимо еквівалентний об’єм титранта (VT). VT = 3,7 см3.

56

4. Використовуючи формулу закону еквівалентів, обчислимо концентрацію кислоти Vк:

СК = CT ×VT = 0,1×3,7 = 0,037 ммоль/л. VК 10

б) Задачі для самостійного розв'язання

1.Розрахувати величину потенціалу Аl-електрода в 0,2 М розчині Al2(SO4)3 при температурі 25оС, якщо стандартний потенціал е = –1,663 B, а коефіцієнт активності f = 0,0255.

Відповідь: е = –1,702 В.

2.Визначити ЕРС лужного акумулятора, який ввімкнений у компенсаційну схему з мідно-цинковим елементом Якобі– Данієля при стандартних умовах. Компенсація струмів досягнута на відрізку 815 мм реохордної лінійки довжиною 1000мм. Стандартні потенціали міді й цинку становлять +0,34 і –0,76 В відповідно.

Відповідь: 1,35 В.

3. Розрахувати рН венозної крові, якщо при 37оС ЕРС хінгідроннохлорсрібного елемента становить 0,043 В. При цій температурі хінгідронний електрод має потенціал 0,708, а хлорсрібний – 0,214 В.

Відповідь: 7,33

4.Знайти рН та рОН шлункового соку, яким заповнено водневий електрод,

що з’єднаний у гальванічний елемент з насиченим каломельним електродом при 20оС. ЕРС цього елемента 0,195 В, а потенціал

каломельного електрода ек = 0,247 В. Відповідь: 0,9 і 13,1.

5.При потенціометричному титруванні 10,0 мл розчину кислоти 0,1 М розчином лугу одержали такі дані:

VNaOH, мл	0	2	4	6	7	8	9	10	11
ЕРС, мВ	50	48	46	40	–10	–275	–300	–315	–325

Побудувати криві титрування і розрахувати концентрацію кислоти.

ЛІТЕРАТУРА

1.Мороз А.С., Ковальова А.Г. Фізична та колоїдна хімія. – Львів: Світ, 1994.

– С. 84–143.

2.Садовничая Л.П., Хухрянский В.Г., Цыганенкою А.Я. Биофизическая химия. – К., Вища шк. 1986. – С. 105 – 140.

3.Конспект лекцій.

Зміст і методика проведення заняття

І. Лабораторна робота

57

Завдання 1. Методом компенсації, за допомогою елемента Вестона,
визначити ЕРС акумулятора.
		Хід роботи.
Скласти схему методу компенсації з акумулятора (Ак), елемента Вестона
(В), реохорда (АС) з рухомим контактом (Р), електричного ключа К та
гальванометра Г (рис. 2). Звернути увагу, щоб одноіменні полюси
акумулятора та елемента Вестона були під’єднані до того ж самого кінця
реохорда.		+
		Àê
A		АкÐ	C
	à
Â		Ã
В	K
		Г
+
Рис. 2. Схема установки для визначення ЕРС методом компенсації

На короткий час натиснути на ключ К і, пересуваючи по реохордній лінійці рухомий контакт Р, знайти точку компенсації (стрілка гальванометра не буде відхилятись від нуля шкали). Записати довжину відрізка "а" (мм) на реохорді в момент компенсації та від’єднати акумулятор від правого кінця реохорда.

Описати хід виконання завдання, зарисувати схему установки. Із точністю до 0,01 В розрахувати ЕРС акумулятора Еак , користуючись формулою:

Eак = AC ; Eак = E B × AC ,
EB	a	a

де: ЕВ = 1,018 В, АС – довжина лінійки реохорда.

Завдання 2. Визначити ЕРС гальванічного елемента, складеного з 2-х електродів.

Хід роботи

Від’єднати елемент Вестона, а на його місце підключити новий, склавши його із заданих електродів (рис. 3).

58

( – )	+
	( )
.
Рис. 3. Схема з’єднань електродів у гальванічний елемент

Користуючись рядом напруг, з’ясувати, який з них буде заряджений негативно і під’єднати його до того кінця реохорда, до якого під’єднаний такий же полюс акумулятора. Розчини обох електродів з’єднати KClагаровим містком і, як в завданні 1, знайти точку компенсації . Знаючи ЕРС акумулятора (Еак) із попереднього завдання, розрахувати ЕРС гальванічного елемента з точністю до 0,01 В:

Eел = Eак × а .

АС

Завдання 3. Визначити потенціал окремого електрода.

Хід роботи

Скласти гальванічний елемент із заданого електрода з невідомим потенціалом та зі стандартного насиченого хлорсрібного електрода, потенціал якого відомий (е = 0,22 В). Враховуючи ряд напруг металів, під’єднати його до установки і визначити точку компенсації. Записати схему гальванічного елемента, наприклад:

(–)Mg | MgSO4 | KCl | KCl, AgCl | Ag(+)

ірозрахувати його ЕРС (Еел):

Eел = Eак × а .

АС

Враховуючи, що Еел = е+ – е– вирахувати шуканий потенціал електрода ех

ех = – Е + ех.с.е.

Завдання 4. Визначити рН розчину за допомогою хінгідронного електрода .

Хід роботи

Зібрати гальванічний елемент із хлорсрібного та хінгідронного електродів. Хінгідронний електрод складається з платинового електрода, зануреного в досліджуваний розчин з невідомим значенням рН в якому розчинена невелика

59

кількість хінгідрона. Під’єднати елемент в установку, враховуючи, що в даному випадку хлорсрібний електрод має негативний заряд, і визначити

точку компенсації.
Записати схему елемента
(–) Ag | AgCl, KCl	Досліджуваний						розчин,	Pt (+).
	насичений хінгідроном
І розрахувати його ЕРС.
За формулою
	e0	− е	х.с.е.	− Е		=	0,704 − 0,22 − Е
pH =	х.г.e.
		0,059					0,059

розрахувати рН розчину (0,704 В – стандартний потенціал хінгідронного електрода, 0,22 – потенціал хлорсрібного електрода).

Завдання 5. Методом потенціометричного титрування визначити концентрацію розчину сильної кислоти або основи.

Хід роботи

У стаканчик для титрування відміряти точний об’єм досліджуваного розчину, опустити в нього магнітик і вставити електродну пару (див. попередню роботу).

Заповнити бюретку для титрування розчином титранта відповідної концентрації.

Включити прилад і виміряти величину ЕРС кола (або величину потенціалу індикаторного електрода), потім, виміряти величину ЕРС після кожного додавання відповідної порції титранта (наприклад по 1 мл).

Величина ЕРС кола буде спочатку змінюватись повільно, потім відбудеться її різка зміна (стрибок), після якої необхідно зробити ще 4 – 5 вимірів.

Результати титрування звести у таблицю.

					Таблиця
Результати потенціометричного титрування
V, см3	Е, мВ	Е, мВ	V, см	3	E/ V,
Об’єм титранта	Покази шкали				мВ/см3
0
1

2

і т. д.

За даними таблиці треба побудувати два графіки: інтегральну та диференціальну криві потенціометричного титрування, знайти еквівалентні точки та об’єм титранта і розрахувати концентрацію досліджуваного електроліту.

60