Попков, Пузаков Общая химия. Гетерогенные реакции в растворах электролитов
 Скачать 8.78 Mb.
|
|
• Рис. 22.2. Компенсационная схема для измерения ЭДС — внешний источник питания — гальванический элемент с точно известным значением ЭДС — электрохимическая ячейка, измерительный электрод и электрод сравнения делитель напряжения А — гальванометр К — переключатель Рис. 22.3. Определение точки эквивалентности в Различают прямые и косвенные методы. Прямое определение концентрации ионов часто называют Для определения активности ионов применяют электроды сих предварительной калибровкой. Потенциометрия — незаменимый во многих случаях метод определения концентрации физиологически активных ионов Гидр) в биологических жидкостях (крови жидкости и др) и тканях организма. Косвенные потенциометрические методы чаще всего используют для обнаружения точки эквивалентности в методах, когда применение обычных индикаторов затруднено. В основе потенциометрического титрования обычно лежат те же реакции, что ив классических методах кислотно-основные, окислительно-восстано- вительные, Точку эквивалентности определяют по резкому скачку потенциала измерительного электрода, более точно — по максимуму первой производной или по изменению знака второй производной (рис. Кондуктометрией называется физико-химический метод исследования различных систем, основанный на измерении их электрической проводимости обычно определяют с помощью кон- дуктометров по схеме (рис. Схема Кольрауша представляет собой измерительный мост Уитсто- на, модернизированный для измерения сопротивления растворов электролитов. Мост содержит 4 сопротивления, из которых одно является измеряемым. При компенсации моста (через диагональ моста, в которую включен нуль-инструмент, ток не протекает) соблюдается условие Зная значения сопротивлений и можно рассчитать сопротивление электрохимической ячейки При измерении сопротивления растворов электролитов применяют переменный ток низкой частоты (до 1000 Гц, так как при использовании постоянного тока могут иметь место погрешности вследствие электролиза или поляризации электродов ячейки представляют собой стеклянные сосуды с вмонтированными в них платиновыми электродами (см. рис. 9.3; раздел 9.5.2). ции электродов используют малую плот- путем увеличения площади электродов слоем платиновой черни. электродами (см. рис. 9.3; раздел Для уменьшения поляризации электродов используют малую плотность тока, что достигается путем увеличения площади электродов: платиновые электроды покрыты слоем платиновой черни. Прямым методом с высокой точностью определяют константы ионизации электролитов, изоэлектрические точки аминокислот, пептидов и белков определяют суммарное содержание примесей вводе, используемой для народнохозяйственных нужд, в сточных водах. С помощью прямой определяют содержание газов в пробах воздуха. Газы, проявляющие кислотные свойства пропускают через раствор щелочи вследствие протекающей реакции концентрация щелочи уменьшается, и как следствие уменьшается электрическая проводимость раствора щелочи. Газы с основными свойствами пропускают через раствор кислоты, после чего измеряют падение электрической проводимости раствора. При прямых кондуктометрических измерениях предварительно строят график, выражающий зависимость электрической проводимости от концентрации, по которому затем определяют концентрацию электролитов в исследуемых растворах титрование титрование основано на измерении электрического сопротивления раствора входе постепенного добавления титранта к анализируемой смеси. Кривые титрования обычно строят в осях Четкий перегиб на кривых кондуктометрического титрования наблюдается только при значительной разнице в удельной электрической проводимости исходного раствора и реагентов или продуктов реакции. Анализ значений предельной молярной электрической проводимости Рис. 22.5. Кривые титрования щелочью а — сильной кислоты б — слабой кислоты в — смеси сильной и слабой кислот вводных растворах (см. табл. 9.7, раздел 9.5.4) позволяет сформулировать следующие правила При равных концентрациях электрическая проводимость растворов сильной кислоты или сильного основания больше электрической проводимости растворов их солей. При равных концентрациях электрическая проводимость раствора слабой кислоты меньше электрической проводимости ее соли, это утверждение справедливо ив отношении слабого основания и его соли. Поэтому при титровании растворов кислот растворами оснований в точке эквивалентности наблюдается резкое изменение электрической проводимости (рис. Так, пусть раствор сильной кислоты НС неизвестной концентрации титруется раствором сильного основания NaOH. Идет реакция нейтрализации: НС1 + NaOH +Ионы обладающие большой подвижностью, в растворе замещаются менее подвижными катионами Электрическая проводимость вследствие этого уменьшается ив точке эквивалентности становится минимальной. Добавление избытка щелочи приводит к появлению в растворе избытка высокоподвижных Это приводит к увеличению электрической проводимости (см. рис а). При титровании раствора слабой кислоты раствором сильного основания NaOH + NaOH +происходит замещение слабого электролита, плохо диссоциирующего на ионы (кислоты, на сильный электролит (соль, полностью диссо- 884 Глава 22. Физико-химические методы исследования на ионы. Так как при диссоциации соли образуются малоподвижные ионы, то электрическая проводимость возрастает незначительно. Избыток щелочи приводит к появлению высокоподвижных гидроксид-ионов, вследствие чего электрическая проводимость резко возрастает (рис. 22.5, б. Абсцисса точки на кривой титрования, отвечающая резкому изменению электрической проводимости, соответствует объему стандартного раствора, идущего на титрование раствора, концентрацию которого определяют (точка эквивалентности. Кривая титрования смеси сильной и слабой кислот (НС1 + имеет две точки перегиба первый отвечает точке эквивалентности при завершении титрования сильной кислоты, авто- рой — слабой кислоты (рис. 22.5, в титрование можно проводить в окрашенных растворах, в мутных средах ив присутствии агрессивных веществ, т. е. во всех тех случаях, когда использование обычных химических индикаторов для фиксирования точки эквивалентности сильно затруднено или невозможно. Применение в медицине и биологии Кондуктомет- используют для определения общего содержания и состояния электролитов в различных биологических объектах плазме и сыворотке крови, желудочном соке, моче, тканевой жидкости, а также вводах минеральных источников ив продуктах питания. Кондуктометрическое титрование широко применяют для количественного определения кислот, оснований и солей в различных жидкостях, в том числе и биологического происхождения. Кондуктометрию применяют при изучении кинетики биохимических процессов, сопровождающихся изменением концентрации электролитов, для изучения проницаемости биологических мембран, для определения суммарного объема клеток в клеточных взвесях (например, объема эритроцитов в крови, для количественного измерения потоотделения. Живой организм сточки зрения электрохимии можно рассматривать как систему, состоящую из клеток и межклеточного пространства, заполненного раствором электролитов. Удельная электрическая проводимость клеток составляет приблизительно а межклеточной жидкости — По электрической проводимости биологические ткани и жидкости можно расположить в такой последовательности кровь, лимфа, ликвор, желчь > мышечная ткань, серое вещество мозга > ткань легких, сердечная мышца, ткань печени > жировая ткань, костная ткань > роговой слой эпидермиса кожи. Значения удельной электрической проводимости некоторых биологических систем приведены в табл. 22.2. Электрохимические методы анализа Таблица 22.2. Удельная электрическая проводимость некоторых биологических систем Кондуктометрия используется для изучения воспалительных процессов и повреждающих факторов. При нарушении проницаемости, а в некоторых случаях и целости мембран, возникающих вследствие тепловых и химических ожогов, механических травм, действия жесткого электромагнитного излучения, электрическая проводимость поврежденных тканей увеличивается. При воспалительных процессах сначала наблюдается понижение электрической проводимости, что объясняется переходом части межклеточной жидкости внутрь клеток, а затем — повышение, что, как ив случае действия повреждающих факторов, объясняется нарушением проницаемости мембран. Измерение сопротивления лежит в основе — метода, позволяющего определять кровенаполнение органов и перераспределение крови между органами. Электрическая проводимость растворов электролитов не зависит от частоты колебаний переменного тока вплоть до частот порядка Гц. При более высоких частотах происходит аномальное повышение электрической проводимости вследствие устранения релаксационного эффекта. В противоположность этому электрическая проводимость живых клеток и тканей значительно возрастает с увеличением частоты переменного тока, приближаясь к предельному значению при частотах порядка нескольких миллионов Гц. Это происходит потому, что в отличие от обычных растворов электролитов биологические системы обладают не только активным (омическим, но и реактивным (емкостным) сопротивлением. Реактивное сопротивление клеток и тканей обусловлено наличием в системе емкостей, создаваемых клеточными оболочками, которые ведут себя как конденсаторы (рис. 22.6). С возрастанием частоты тока реактивное сопротивление уменьшается и при достаточно высоких частотах практически исчезает. Измеряемая при этом электрическая проводи- Рис. 22.6. Схема контура, эквивалентного суспензии клеток и — сопротивления внешней среды и клеток Сем- кость клеточной оболочки внутреннего содержимого клеток является мерой концентрации свободных ионов в протоплазме. Эта электрическая проводимость оказывается довольно высокой. Так, например, для эритроцитов она сравнима с электрической проводимостью 0,1-0,4% растворов КС1. Изменение электрической проводимости тканей и клеток широко используют для диагностических целей. Патологические процессы, а также отмирание тканей приводят к изменению проницаемости клеточных мембран. Это, в свою очередь, приводит к тому, что уменьшается зависимость электрической проводимости от частоты тока, а при полной гибели клеток она вообще перестает зависеть от частоты тока (рис. По предложению Б. Н. Тарусова для оценки жизнеспособности тканей используют коэффициент представляющий собой отношение ее сопротивлений при частотах и Гц. Отмирание ткани приводит к уменьшению коэффициента при полной гибели он равен приблизительно единице. Такая зависимость может быть объяснена тем, что при гибели клеток и тканей избирательная проницаемость мембран исчезает и состав внутриклеточного и внеклеточного содержимого становится одинаковым. В связи стем что электрическая проводимость клеток и тканей определяется концентрацией свободных ионов, по электрической проводимости судят о проницаемости клеточных мембран для ионов. Повышение электрической проводимости указывает на увеличение содержания свободных ионов, а уменьшение — на снижение их концентрации. Сравнение значений электрической проводимости цитоплазмы и водного раствора, имеющего состав, позволяет определить долю свободных и связанных ионов. Кулонометрия В измеряют точное количество электричества, необходимого для окисления или восстановления анализируемого компонента. Основное уравнение кулонометрии выражает зависимость между количеством электричества и массой образующегося или расходуемого вещества (т Электрохимические методы анализа 887 (где — число электронов в элементарном — молярная масса F — постоянная определение может проводиться при постоянном электродном потенциале (потенциостатическая рия) или при постоянной силе тока (гальваностатическая метрия). при постоянном потенциале Потенциостатическая лонометрия используется в прямых определениях. Величина потенциала электрода, на котором происходит электрохимическая реакция анализируемого вещества, поддерживается такой, чтобы исключить побочные электродные реакции. Входе потенциостатической метрии сила тока по мере прохождения реакции экспоненциально уменьшается, что позволяет определить количество электричества путем интегрирования = j о где — сила тока — время. В современных кулонометрах количество электричества определяется с помощью электронных интеграторов. Величину можно определить также с помощью вспомогательной химической реакции, протекающей в химических кулонометрах. Один из простейших метров представляет собой электролитическую ячейку, в которой происходит электролиз воды. Суммарный объем водорода, образующегося прикатодном восстановлении воды, и кислорода, образующегося при анодном окислении воды, измеряют путем вытеснения воды, после чего определяют количество электричества, прошедшего через нометр. Принципиальная схема кулонометрической установки при контролируемом потенциале приведена на рис. Изменяя величину потенциала, наложенного на ячейку, можно раздельно определять массы веществ или ионов в анализируемом растворе. Это особенно ценно, если смеси содержат такие компоненты, разделение или определения содержания которых при совместном присутствии другими методами исследования вызывает значительные затруднения. Например, с помощью потенциостатической кулонометрии можно определить при совместном нахождении в растворе ионов и и и Рис. 22.8. Принципиальная схема установки для потенциостатической 1 — источник питания (аккумуляторная батарея 2 — делитель напряжения 3 — ячейка рабочий электрод — вспомогательный электрод 6 — электрод сравнения, 7 Примерами определения органических веществ служат восстановление кислоты до кислоты и нитробензола до + + + е титрование Гальваностатическую рию часто называют титрованием. В этом методе в ячейке с электрического тока постоянной силы генерируется реагент (титрант), вступающий в реакцию с определяемым веществом. Время необходимое для завершения реакции, определяется с помощью электрохронометра, включенного в цепь (риса количество электричества рассчитывают по формуле Рис. 22.9. Измерительная схема для кулонометрического титрования 1 — кулонометрическая ячейка — рабочий электрод — вспомогательный 'электрод 4 — диафрагма — переключатель Электрохимические методы анализа 889 Q = (С переключателя 5 одновременно замыкаются генераторная цепь, при этом через ячейку начинает протекать токи вспомогательная цепь, содержащая электрохронометр и питающаяся от источника переменного тока. Индикация точки эквивалентности осуществляется либо потенцио- метрически, либо с помощью обычных химических индикаторов. При проведении титрования отпадает необходимость в приготовлении раствора титранта и стандартизации, в этом заключается большое преимущество метода. Оно особенно отчетливо проявляется, если для реакции с определяемым веществом используется нестойкий реагент, например соли Например, бром, образующийся в результате генераторной полуреакции на аноде +используется для определения многих как неорганических веществ, например, соединений ионов, тиоцианат-ионов, таки органических веществ, например фенола, анилина, оксихинолина и др. В тоже время использование раствора брома в качестве титранта в классическом варианте титрования сопряжено со многими техническими трудностями и часто сопровождается большими относительными ошибками. Катион электрогенерируется на катоде по полуреакции: + + +Соли используют в кулонометрическом титровании для определения соединений В кулонометрическом титровании, помимо окислительно-восстановитель- ных реакций, используют также кислотно-основные взаимодействия, осади- реакции и комплексообразование. Например, для титрования оснований применяют генерированные на платиновом электроде ионы водорода + + (пиридин) + (пиридиний-ион) 22.1.4. Вольтамперометрия Вольтамперометрия — метод исследования, основанный на изучении зависимости силы тока в электролитической ячейке от потенциала индикаторного микроэлектрода, на котором в анализируемом растворе лава протекает электрохимическая реакция. Прохождение электрического тока через ячейку, в которой происходит электролиз, обеспечивается электродвижущей силой, те. разностью потенциалов Е В небольшом диапазоне значений Е соблюдается линейная зависимость между наложенной на ячейку разницей потенциалов Е и силой тока те. подчиняется закону Ома. Однако, начиная с некоторого значения /, величина электродвижущей силы, необходимой для протекания тока такой силы, становится выше теоретически рассчитанной. Отклонения от линейной зависимости между величинами наложенного потенциала и силы тока объясняются поляризацией электрода. Она может быть вызвана разными причинами. В сложном электродном процессе можно выделить две стадии 1) массоперенос вещества (молекул или ионов, подвергающегося электролизу, из глубины раствора в приэлектродное пространство 2) перенос электронов через межфазную границу. Скорости, с которыми протекают стадии, обозначим и соответственно. В некоторых случаях дополнительной стадией может быть химическая реакция, предшествующая переносу электронов через межфазную границу или следующая за ним. Концентрационная поляризация наступает в том случае, если лимитирующей стадией становится массоперенос: < В приэлектрод- ном пространстве концентрация вещества становится меньше его концентрации в объеме фазы. Кинетическая поляризация обусловлена медленно протекающей стадией переноса электронов через межфазную границу > Кинетическую поляризацию часто называют перенапряжением Величину перенапряжения теоретически предсказать нельзя, так как она зависит отряда факторов, неподдающихся контролю. Тем не менее можно выделить некоторые закономерности. Перенапряжение всегда выше для процессов, сопровождающихся выделением газообразных продуктов, а также проходящих на электродах, изготовленных из мягких металлов (Zn, Pb, особенно Hg). Перенапряжение тем больше, чем больше плотность тока, те. отношение (S — площадь элект- рода). В большинстве электрохимических методов, в том числе рассмотренных выше (потенциометрия, кондуктометрия, кулонометрия, поляризацию электродов стараются свести к минимуму, потому что она искажает результаты исследований. В вольтамперометрии, наоборот, создают условия, способствующие как можно более высокой степени поляризации электродов. Электроактивные вещества различаются по Рис. 10. Схема способности к уменьшению степени поляризации электродов, на чем основан качественный анализ в вольтамперометрии. Снижение степени поляризации электрода зависит от концентрации электроактивных веществ, что позволяет осуществлять количественный анализ в вольтамперометрии. В вольтамперометрии применяют электрические цепи, состоящие из исследуемого раствора и двух электродов поляризующегося и неполяризующегося. Таким образом, сущность вольтамперометрии заключается в измерении степени поляризации элект- рода. Рассмотрим одну из разновидностей вольтамперометрии — полярографию, метод, предложенный в 1922 г. чешским ученым Я. Гейров- Для создания высокой плотности тока в полярографии используют капельный ртутный электрод. Вещества в растворе могут окисляться или восстанавливаться на поверхности постоянно обновляющейся и хорошо воспроизводимой по массе и форме капельке ртути, капающей из капилляра с постоянной скоростью в анализируемый раствор. Противоположно заряженным электродом служит ртуть, находящаяся на дне сосуда с анализируемым раствором. Площадь зеркала ртути делают настолько большой, чтобы этот электрод не поляризовался кривые получают с приборов, называемых Схема полярографа представлена на рис От источника постоянного тока через потенциометр 2 на капельный ртутный электрод 5 и вспомогательный электрод 7 подается напряжение. При этом через электролитическую ячейку 6 с исследуемым раствором проходит ток /, измеряемый чувствительным амперметром Разность потенциалов измеряют вольтметром В раствор помимо анализируемого вещества добавляют избыток индифферентного электролита, ионы которого в условиях эксперимента не разряжаются на электродах. Добавление этого электролита обеспечивает высокую электрическую проводимость раствора. Кроме того, при таких условиях изменение потенциала капельного электрода равно изменению приложенного напряжения. Рассмотрим стандартную (рис. При постепенном увеличении внешнего напряжения вначале идет зарядка электрода, и ток вцепи мал (см. рис участок АВ). Это указывает на то, что химическая реакция не идет. По достижении напряжения точке В, происходит резкое возрастание тока, свидетельствующее о начале восстановления (или окисления) исследуемого вещества на капельном электроде. При дальнейшем росте напряжения наступает момент, когда скорость диффузии ионов к электроду, а вследствие этого и ток вцепи достигают предельного значения (точка С. Этот ток называется диффузионным (рис. участок Величина диффузионного тока определяется уравнением Илько- вича: = ' (где - число электронов в элементарном редокс-процессе; D — коэффициент диффузии электроактивного вещества — масса ртути, вытекающей из капилляра в единицу времени t — время образования капли (период капания с — концентрация анализируемого вещества — коэффициент, значение которого при 25 С равно Участок ABCD (см. рис положение которого характерно для каждого вещества, называется полярографической волной Высота полярографической волны определяемая ординатой точки С, пропорциональна концентрации ионов или молекул, принимающих участие в окислитель- но-восстановительной реакции на капельном электроде. Это позволяет использовать полярографию для количественного определения вещества в растворе. Потенциал при котором ток достигает половины предельного диффузного тока, называют потенциалом полуволны. Потенциал полу- волны определяется природой реагирующих на электроде ионов или молекул. Таким образом, измерение значений дает возможность проводить качественный анализ растворов. Поскольку каждому виду ионов или молекул на полярограмме соответствует определенная волна, можно определять несколько веществ водной пробе раствора (рис Вещества, содержащиеся в растворе, устанавливают по значениям потенциалов а их концентрацию — по высотам соответствующих волн. Вольтамперометрия обладает большой чувствительностью и дает возможность определять весьма малые концентрации вещества в растворе (до моль/л). Для выполнения анализа достаточно мл такого раствора. Проведение анализа на полярог- рафах занимает около 10 мин. Вольтамперометрию широко используют в медико-биологических исследованиях для качественного и количественного определения электролитов, например ионов тяжелых металлов в биоматериалах после минерализации и органических веществ, способных к окислению или восстановлению. Разработаны методы полярографического определения карбонильных соединений (альдегидов и кетонов кислот кислот и кетокислот и сопряженных диенов и полиенов. Все они образуя катодные волны. Меркаптаны, гидрохинон и его производные, например витамин К аскорбиновая кислота окисляются, образуя анодные волны. Полярографию применяют для определения степени насыщения крови кислородом, состава выдыхаемого воздуха (изучение газообмена у человека и животных для определения вредных веществ в сточных водах и воздухе промышленных предприятий. Установлено, что при ряде заболеваний (злокачественные опухоли, лучевая болезнь и др может применяться для диагностики и оценки эффективности лечения 894 Глава 22. Физико-химические методы исследования. Фотометрия Одним из наиболее распространенных физико-химических методов, используемых в клинической биохимии, является фотометрия. Она основана на том, что при некоторых условиях молекулы вещества поглощают электромагнитное излучение с определенной длиной волны. В достаточно широком диапазоне концентраций при прочих равных условиях величина поглощения света пропорциональна концентрации вещества: где и — интенсивность излучения плоской монохроматической волны соответственно на входе в слой поглощающего раствора и на выходе из него / — толщина слоя поглощающего раствора £ — молярный показатель поглощения — константа, зависящая от свойств растворенного вещества и длины волны излучения с — молярная концентрация раствора. Уравнение (22.3) является математической формой закона Бера. Если вещество поглощает электромагнитное излучение в видимой части спектра нм, оно имеет окраску, что дает возможность визуально без приборов оценивать концентрацию вещества. На этом, в частности, основаны многие экспресс- и скрининг-тесты (например, определение после перевода в окрашенные соединения белков и аминокислот в моче, кетоновых тел в моче и др. В большинстве случаев анализ проводят с помощью специальных приборов — фотоколори- метров. Принципиальная схема однолучевого фотоколориметра приведена на рис Большинство неокрашенных органических соединений поглощает в УФ-части спектра. В этом случае для анализа используют спектрофотометры. Нужный участок спектра в этих приборах выделяют с помощью призм или дифракционных решеток. Фотометрические методы являются более чувствительными по сравнению с титриметрическими, те. позволяют определять меньшие концентрации анализирующих веществ. Хроматография Различные процессы лежат в основе такого важного метода физико-химических исследований, как хроматография. Хроматография представляет собой динамический метод анализа, основанный на многократно повторяющихся процессах сорбции и десорбции. Преимуществом хроматографии перед другими методами исследования является сочетание химического разделения и химического измерения это делает хроматографию незаменимой для качественного и количественного анализа сложных многокомпонентных смесей, в частности биологических жидкостей. Основы хроматографического метода исследования были заложены российским ученым Цветом г.). Обязательным условием для проведения хроматографии является наличие двух фаз неподвижной (стационарной) и подвижной. В результате того что различные (А, В, С) перемещаются вдоль стационарной фазы с разной скоростью, происходит их разделение (рис. Различная скорость перемещения отдельных компонентов смеси вдоль стационарной фазы связана со сложным характером взаимодействия в системе вещество подвижная фаза — неподвижная фаза. По доминирующему меха 896 Глава 22. Физико-химические методы исследования низму различают распределительную, ионообменную и молекулярно-ситовую хроматографию. Адсорбционная хроматография основана на различной способности отдельных компонентов смеси вступать в неспецифическое взаимодействие с поверхностью адсорбента (диполь-дипольное взаимодействие между постоянными и индуцированными диполями, образование водородных связей и т. д. Компоненты, имеющие большое сродство к адсорбенту, медленнее передвигаются вдоль стационарной фазы, чем компоненты, имеющие меньшее сродство, так как наиболее поверхностно-активные компоненты в неподвижной фазе будут нахо- больше времени. Компоненты, не адсорбирующиеся стационарной фазой, находятся только в подвижной фазе, скорость их перемещения вдоль стационарной фазы максимальная. Чем больше разница в адсорбционной способности данного адсорбента и разделяемых компонентов, тем больше разница в скоростях их перемещения и тем полнее происходит разде- ление. Распределительная хроматография основана на разнице коэффициентов распределения анализируемых веществ между двумя фазами стационарной, или неподвижной (ею может быть только жидкость, и подвижной (газ или жидкость): К = (где К — коэффициент распределения (безразмерный концентрация компонента анализируемой смеси в подвижной фазе концентрация того же компонента в неподвижной фазе. Очевидно, что формула (22.4) является вариантом математического выражения закона распределения (9.4). Таким образом, в основе рассматриваемого метода лежит закон распределения (см. главу, раздел Вещество, более растворимое в неподвижной фазе, находится в ней часть времени перемещения скорость передвижения этого вещества относительно невелика. Менее растворимые вещества пере- быстрее, так как в растворенном состоянии они в непо- фазе находятся меньшую часть времени. Чем больше разница в значениях коэффициентов распределения К для разделяемых компонентов, тем полнее происходит их разделение. Ионообменная хроматография основана на обратимом обмене ионов, содержащихся в исследуемой смеси, на подвижные ионы, входящие в состав ионита (см. гл. 19, раздел 19.7). Разделение веществ 22.3. Хроматография связано с различием в величинах термодинамических констант ионного обмена определяемых ионов. Хемосорбционная хроматография включает в себя несколько вариантов процессов, общим для которых является протекание какой-либо химической реакции. Разделение веществ в хемосорбционной хроматографии сих различной способностью вступать в те или иные реакции. Варианты хемосорбционной хроматографии в основном повторяют те типы равновесий и процессов, которые были рассмотрены выше гетерогенные (осадочная хроматография, основанная разнице величин окислительно-восста- новительные основанная на разнице величин стандартных (лигандообмен- ная хроматография, основанная на разнице величин констант нестой- кости). К хемосорбционной хроматографии относится и биоспецифиче- ская (аффинная) хроматография применяемая в биохимических исследованиях. Она основана на специфичности взаимодействия в основе биологической функции фермента. Стационарная фаза содержит либо фермент, либо его субстрат. В первом случае стационарная фаза избирательно удерживает соответствующий субстрат (группу субстратов, во втором случае — фермент (группу ферментов. Отличительной чертой аффинной хроматографии является высокая избирательность процесса, повторяющего или имитирующего процесс, происходящий в реальных живых системах. Молекулярно-ситовая хроматография (устаревшее название — гельфильтрация) позволяет анализировать смеси, содержащие вещества со значительно различающимся размером молекул. В качестве стационарной фазы используют пористые тела — молекулярные сита, которые проницаемы для молекул только определенного размера. Крупные молекулы, не попадая в поры, перемещаются вдоль стационарной фазы быстрее, чем мелкие. Молекулярно-ситовая хроматография чрезвычайно широко применяется в биохимии для разделения смесей биополимеров (например, белков) на фракции. Приведенная классификация хроматографических методов не является единственной. В некоторых случаях хроматографические методы принято классифицировать по агрегатному состоянию применяющихся фаз (табл. Сточки зрения техники эксперимента принято различать колоночную (разновидность — капиллярная, бумажную и тонкослойную хроматографию (ТСХ). 898 Глава 22. Физико-химические исследования Таблица 22.3. Классификация методов по агрегатному состоянию фаз Подвижная фаза Неподвижная фаза жидкость (жидкостная газ (газовая хроматография) хроматография) Твердое тело (адсорбци- Газо-твердофазная онная хроматография) хроматография) — хроматография) — ГАХ Жидкость, нанесенная Газожидкостная в виде пленки на инерт- хроматография — ЖЖХ хроматография — ГЖХ носитель методика состоит из следующих основных этапов 1) подготовка анализируемой пробы и сорбента (колонки или тонкого слоя 2) нанесение пробы на тонкий слой сорбента, бумагу или ввод ее в разделительную колонку 3) собственно хроматографиро- вание; 4) обнаружение зон разделенных веществ — детектирование, иногда этот этап неправильно называют проявлением 5) количественное определение содержания вещества разделенных зонах. На рисунке представлена типичная хрома- полученная при разделении двух веществ с применением методики Для идентификации веществ на тонкослойной хроматограмме используется степень разделения — величина представляющая собой отношение пути пройденного веществом, к пути, пройденному растворителем Для проведения более точных анализов применяют хроматографы (газовые или жидкостные) — физи- ко-химические приборы, поддерживающие все пара Вопросы, упражнения и задачи метры го разделения на заданном уровне и преобразующие сигнал детектора в форму, удобную для количественного определения содержания веществ. На рисунке 22.16 представлена хроматограмма смеси трех веществ, полученная с использованием метода ГЖХ. В методе ГЖХ вещества на хроматограммах идентифицируются повремени удерживания — времени, прошедшему с момента ввода пробыв колонку до появления максимума пика данного вещества. Площадь пика каждого вещества пропорциональна его содержанию (при малых концентрациях, когда изотерма сорбции прямолинейна). Хроматографию широко применяют в медико-биологических исследованиях ив клинической практике. Анализ крови на присутствие в ней алкоголя, наркотиков, летучих веществ, вызывающих токсикоманию, проводят с помощью хроматографии засчитанные минуты. Хроматография является незаменимым методом для допинг-контроля (обнаружение стимулирующих веществ в организме спортсменов. С помощью хроматографии в биологических жидкостях можно выявить микрокомпоненты (не определяемые другими методами, которые появляются при наличии той или иной патологии. Значение хроматографии как важного диагностического метода постоянно возрастает упражнения и Стеклянный электрод для измерения рН относится к 1) электродам сравнения 2) мембранным электродам 3) ферментным электродам 4) редокс-электродам. 22.2. Компенсационная схема измерения ЭДС обязательно включает компоненты 1) гальванометр 2) 3) электрод сравнения) поляризующийся рабочий электрод 5) индикаторный электрод 6) гальванический элемент с точно известным значением ЭДС. Схема для измерения сопротивления анализируемого раствора обязательно включает компоненты 1) калиброванное 900 Глава 22. Физико-химические методы исследования сопротивление 2) гальванометр 3) нуль-инструмент; 4) источник постоянного тока 5) электрод сравнения 6) ионселектив- электрод титрование проводят 1) при контролируемом потенциале рабочего электрода 2) при постоянной силе тока 3) при постоянном сопротивлении ячейки. Качественный анализ в вольтамперометрии проводят по 1) величине диффузионного тока 2) высоте полярографической волны) величине перенапряжения 4) высоте полуволны; 5) изменению концентрации электроактивного вещества в приэлект- пространстве. В основе фотометрии лежит измерение 1) преломления 2) поглощения) отражения 4) рассеивания. Аффинная хроматография основана на 1) законе распределения) разнице в величинах констант ионного обмена 3) специфической фермент-субстратной реакции 4) неспецифиче- ских межмолекулярных взаимодействиях. Для измерения рН слезной жидкости была составлена гальваническая цепь из водородного и каломельного электродов (концентрация хлорида калия равна 0,1 моль/л). Измеренная при С ЭДС составила 0,764 В. Вычислите рН слезной жидкости. Для измерения рН сока поджелудочной железы была составлена гальваническая цепь из водородного и каломельного (насыщенного) электродов. Измеренная при 30 ЭДС составила 707 мВ. Вычислите рН сока поджелудочной железы. Для измерения рН крови составлена гальваническая цепь из каломельного электрода (концентрация хлорида калия равна моль/л) и водородного. Вычислите диапазон возможных значений ЭДС составленной цепи К Для измерения рН клеток печени была составлена гальваническая цепь из водородного электрода и каломельного электрода (концентрация хлорида калия равна 1 моль/л). Измеренная при 37 С ЭДС составила 675 мВ. Чему равен рН? 22.12. Для измерения рН желчи из пузыря была составлена гальваническая цепь из водородного и электродов (концентрация хлорида калия равна 1 моль/л). Измеренная при С ЭДС составила 0,577 В. Вычислите рН желчи. Для определения рН желчи была составлена гальваническая цепь из водородного электрода и хлорсеребряного электрода Вопросы, упражнения и задачи концентрация хлорида калия равна 0,1 моль/л). При 20 Сиз- меренная ЭДС составила 702 Чему равен рН? Гальванический элемент составлен из двух водородных электродов, погруженных в растворы хлороводородной кислоты с концентрациями моль/л и 0,002 моль/л. Вычислите ЭДС цепи (температура равна 298 К Гальванический элемент составлен из двух водородных электродов, погруженных в буферные растворы, один из которых приготовлен из равных количеств формиата натрия и муравьиной кислоты, а другой — из равных количеств гидрофосфата натрия и и гидрофосфата натрия. Вычислите ЭДС цепи (температура равна 298 К Гальванический элемент состоит из водородных электродов, погруженных в желчь, взятую из протоков, и желчь, взятую из пузыря. Вычислите диапазон возможных значений ЭДС элемента при 37 при условии, что рН биожидкостей находится в норме Вычислите ЭДС гальванического элемента (при 25 С, составленного из двух стеклянных электродов, погруженных в растворы хлороводородной кислоты с концентрацией 0,2 моль/л и уксусной кислоты с концентрацией 0,02 моль/л. Константы стеклянных электродов численно равны между собой. Вычислите ЭДС гальванического элемента (при 25 составленного из двух стеклянных электродов, погруженных в растворы соляной кислоты с рН 2 и рН 4. Константы стеклянных электродов численно равны между собой. Стеклянный электрод, соединенный в гальваническую цепь с электродом сравнения, сначала поместили в буферный раствор с рН 3,5, а потом в исследуемую пробу молока. ЭДС цепи возросла на 0,15 В. Измерения проводили при 18 Величина рН молока в норме находится в пределах от 6,6 до 6,9. Дайте заключение о доброкачественности продукта (измерительный электрод заряжается отрицательно по отношению к электроду сравнения Ответы 1.8. (3) 1.12. (3) 1.16. (2) 1.18. (3) 1.22. (4) 1.26. (5) 1.28. (3) 1.32. (5) 1.37. (3) 1.39. (1) 1.42. (4) 1.45. (4) 1.51. (4) 1.53. (Глава 2. 2.1. (18) 2.2. (90) 2.3. 2.4. (500) 2.5. (6) 2.6. (40) 2.7. (10) 2.8. (25) 2.9. (0,75 моль/л) (2,5 л 3. 3.10. (3) 3.11. (5) 3.12. (3) 3.13. (5) 3.14. (1) 3.15. (1) 3.16. (2) 3.17. (1) 3.18. 3.19. (1-5) 3.20. (1,5) 3.21. (Глава 4. 4.9. (2) 4.10. (3) 4.11. (2) (Глава 5. 5.1. (2) 5.2. (5) 5.3. (4) 5.4. (1,3) 5.5. (2) 5.6. (Глава 6. а) 0,1 моль/л; б) 0,05 моль/л 6.22. 15 л 6.32. мл 6.36. 4, 6 мл 6.47. 6.52. 0,05 моль/л 6.57. 0,858 6.60. 0,00668 г 7.63. Глава 8. 8.42. 8.44. 31,25 8.48. 92,5 8.53. 2,9% 8.59. сут мин 8.78. 1934 час 8.82. час 8.86. 630 кДж/моль 8.89. 240 кДж/моль |