химия Вайс 2. В. Ф. ВойноЯсенецкого Министерства здравоохранения России Кафедра биохимии с курсами медицинской, фармацевтической и токсикологической химии Вайс Е. Ф., Салмина А. Б. Общая и неорганическая химия Учебное пособие

• Название: В. Ф. ВойноЯсенецкого Министерства здравоохранения России Кафедра биохимии с курсами медицинской, фармацевтической и токсикологической химии Вайс Е. Ф., Салмина А. Б. Общая и неорганическая химия Учебное пособие
• Анкор: химия Вайс 2.doc
• Дата: 21.12.2017
• Размер: 1.22 Mb.
• Имя файла: химия Вайс 2.doc
• Тип: Учебное пособие; #12325
• страница: 8 из 21

Тема: «Комплексные соединения. Лабораторная работа « Определение жесткости воды и концентрации ионов Са²⁺ в биологической жидкости».

1. Тема занятия: Комплексные соединения. Лабораторная работа « Определение жесткости воды и концентрации ионов Са²⁺ в биологической жидкостях»

2. Форма организации учебного процесса: практическое занятие, лабораторная работа.

3. Значение темы: Изучаемая тема является одним из важных разделов общей и неорганической химии, т.к. позволяет понять роль комплексных соединений для организма человека: миоглобин, гемоглобин и др. Аминокислоты, белки, НК и витамины, гормоны являются активными лигандами и, взаимодействуя с катионами металлов, образуют многообразные комплексные соединения, выполняющие определенные биологические функции.

4. Учебная цель. Студентам необходимы знания комплексных соединений для того, чтобы умело пользоваться ими в своей практической деятельности. Для изучения свойств биологически активных веществ, лекарственных препаратов, ферментов необходимо умение проводить экспериментальные исследования, связанные с определением их состава.

4.1. Необходимые реактивы, посуда одного рабочего места

1. 
   Бюретка – 1 шт.
   
2. 
   Пипетка на 1 мл и 10 мл.
   
3. 
   Колбы для титрования на 100 мл.
   
4. 
   Мерный цилиндр на 50 мл.
   
5. 
   Мерные пробирки на 10 мл.
   
6. 
   Индикаторы: эриохром черный, мурексид.
   
7. 
   Рабочий раствор трилон Б – 0,05 э.
   
8. 
   Биологическая жидкость.
   
9. 
   Раствор NaOH 10%.
   
10. 
    Шпатель для взятия мурексида.
    

0. 
   Условия титрования в методе комплексонометрии
   

Реакции ионов металла с трилоном Б и с ионами индикатора – обратимы:

MgInd^- + H₂Tr^2- ↔ MgTr^2- + Hind^2- + H⁺

MgTr^2- + Na₂ [H₂Tr] ↔ Na₂[MgTr] + Hind^- + H⁺

Вино-красный синий

Химическое равновесие указанных реакций сдвинуто вправо, поэтому для полноты протекания реакций комплексообразования требуется щелочная среда. Однако в сильнощелочных растворах ( при рН>10) наблюдается образование оксикомплексных соединений металлов или наблюдается выпадение осадков гидроксидов металлов.

В связи с этим титрование большинства катионов проводят в щелочной среде, для чего к исследуемому раствору добавляют аммичный буферный раствор (NH₄OH + NH₄CI), который поддерживает рН 8-10.

Лабораторная работа

Опыт 1. Определение общей жесткости воды

Общая жесткость воды складывается из временной (гидрокарбонатной) и постоянной (сульфаты и хлориды кальция и магния), содержащихся в 1 л воды. По величине жесткости вода характеризуется:

1. 
   до 4 ммоль/л - мягкая;
   
2. 
   от 4 до 8 ммоль/л – средней жесткости;
   
3. 
   от 8 до 12 ммоль/л – очень жесткая.
   

Техника определения жесткости воды

К 50 мл исследуемой воды прибавляют 2 мл аммиачного буфера и 4 капли индикатора – эриохрома черного. Бюретку заполняют 0,05 э раствором трилона Б и титруют исследуемый раствор до перехода окраски от винно-красной через фиолетовую к синей. Титрование проводят 3-5 раз; для расчета жесткости воды берут средний арифметический объем титранта. Реакции, протекающие в процессе определения жесткости:

Са²⁺ + HInd^2- ↔ CaInd^- + H<sup>+

синий винно-красный</sup>

CaInd^- + Na₂ [H₂Tr] ↔ Na₂[СаTr] + Hind^- + H<sup>+

винно-красный синий</sup>

т.е. в точке эквивалентности происходит изменение окраски раствора от винно – красной к синей. Жесткость воды рассчитывают по формуле:

Ж_воды= С_э трил Б· V трил. Б / V иссл. воды · 1000; моль/л

Опыт 2. Определение содержания кальция в биологической среде

В колбу для титрования вносят 10 мл исследуемой мочи, добавляют 40 мл дистиллированной воды, 5 мл 10% раствора NaOH (отмерить мерной пробиркой) и на кончике шпателя – индикатор мурексид.

Раствор приобретает красно-оранжевую окраску. Содержимое колбы медленно титруют, добавляя по каплям из бюретки раствор трилона Б, все время перемешивая до перехода окраски в сине-фиолетовую (от последней капли трилона Б). Титрование проводят не менее трех-пяти раз, для расчета берут среднее арифметическое значение объемов титранта:

Сэ (Са²⁺) = Сэ трил.Б · V трил. Б / V иссл. мочи

Т (Са²⁺) = 20,00· (Са²⁺) / 1000 ; г/мл. V мочи = 1500 мл.

Содержание кальция в моче в норме составляет 0,1 – 0,3 г/сутки.

Сделать вывод о наличии Са в биологической жидкости, есть ли патология, какая?

9. Контрольные вопросы и задачи для защиты лабораторной работы

1. 
   Рабочие растворы метода комплексонометрии, применяемая концентрация.
   

2. Индикаторы метода, их отличие от кислотно-основных индикаторов.

3. Что можно определять этим методом, и при каких условиях?

4. Определение жесткости воды.

5. Комплексоны, их применение.

6.Основные положения теории Вернера, Чугаева о строении комплексных соединений.

7. Внутрикомплексные соединения.

8. Центральный атом, лиганд, координационное число.

9. Строение комплексных соединений, диссоциация комплексных соединений.

10. Константа нестойкости.

11. Указать заряд комплекса [SnF₆].

12. Указать число электронов на d-подуровне иона Cr³⁺.

13. На титрование 100 мл воды затрачено 12,74 мл 0,0523 э раствора трилона Б, рассчитать жесткость воды. Сделать вывод о качестве воды.

14. Чему равно координационное число алюминия в соединении [AI(H₂O)₂(OH^-)] и заряд иона?

10. Тестовые задания по теме:

1. КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО АТОМОВ В АЗОТЕ АММОНИЯ РАВНО:

1) 1

2) -3

3) 4

4) 0

Правильный ответ: 1)

2. С.О. ЖЕЛЕЗА В К₄[Fe(NC)₆] РАВНА:

1) +2

2) +3

3) -4

4) +4

Правильный ответ: 1)

3. КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО В К₃[AI(OH)₆] РАВНО:

1) 3

2) 1

3) 6

4) -3

Правильный ответ: 3)

4. ЗАРЯД КОМПЛЕКСНОГО ИОНА В КАРБОНАТЕ АММОНИЯ РАВЕН:

1) +4

б) +1

в) -1

г) 0

Правильный ответ: 3)

5. ТРИЛОН Б, ОБРАЗУЯ КОМПЛЕКСЫ ЯВЛЯЕТСЯ:

1) донором электронов

2) акцептором электронов

3) буферным раствором

4) сильным электролитом

Правильный ответ: 1)

6. АТОМ ЖЕЛЕЗА В НЕВОЗБУЖДЕННОМ СОСТОЯНИИ ИМЕЕТ ВНЕШНИЕ ЭЛЕКТРОНЫ:

1) 4S^o3d⁸

2) 4S²3d⁶

3) 4S¹3d⁶4P¹

4) 4S¹3d⁷

Правильный ответ: 2)

7. КАКОЙ БУФЕРНЫЙ РАСТВОР ИСПОЛЬЗУЕТСЯ В КОМПЛЕКСОНОМЕТРИИ?

1) NH₄OH; NH₄CI

2) Н₂СО₃ ; NaHCO₃

3) NaH₂PO₄ ; Na₂HPO₄

4) CH₃COONa; CH₃COOH

Правильный ответ: 1)

8. 
   КАКОЙ ЗАРЯД ИМЕЕТ ИОН [Fe²⁺(NC)₅OH₂]?
   

1) 3-

2) 2-

3) 3⁺

4) 2⁺

Правильный ответ: 1)

9. 
   КАКИЕ РАБОЧИЕ РАСТВОРЫ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ В КОМПЛЕКСОНОМЕТРИИ:
   

1) HCI

2) H₂[Na₂Tr]

3) КОН

4) Na ₂[Н₂Tr]

Правильный ответ: 4)

10. 
    КАКОВА СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ И К.Ч. КОМПЛЕКСООБРАЗОВАТЕЛЯ В СОЕДИНЕНИИ [NH₄CI]?
    

1) +1 2) -3 3) 0 4) +3

1 4 0 4

Правильный ответ: 1)

11. КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО ПОКАЗЫВАЕТ:

1) общее число уровней

2) число лигандов

3) количество заместителей

4) устойчивость комплекса

Правильный ответ: 2)

12. КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО У Fe³⁺.

1) 4

2) 2

3) 6

4) 3

Правильный ответ: 3)

13. УКАЗАТЬ СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ И К.Ч. КОМПЛЕКСООБРАЗОВАТЕЛЯ [Zn(NH₃)₄](NO₃)_2.

1) +2;4

2) +2; 6

3) +1; 2

4) +3; 6

Правильный ответ:2)

14. ЧЕМУ РАВЕН ЗАРЯД КОМПЛЕКСНОГО ИОНА [Cr⁺³ (OH₂)₄(C₂O₄)] ?

1) 3+

2) 3-

3) 1+

4) 2-

Правильный ответ: 3)

15. УКАЗАТЬ КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО Cr⁺³:

1) 4

2) 2

3) 6

4) 5

Правильный ответ: 3)

11. Ситуационные задачи по теме.

Задача 1. Рассчитать массу ионов кальция в сыворотке, если при титровании 10 мл ее истрачено 25 мл 0,05 э раствора трилона Б.

Решение

m = C_э(трил )М·1/z ·V_трил/ V_пробы m = 20· 0,05 ·25 / 10 =2,5 мг

Задача 2. На титрование 100 мл Н₂О затрачено 12,74 мл 0,0523 э раствора трилона Б. Рассчитать жесткость воды.

Решение

ЖН₂0 = С_э·трил ·V_трил.1000 / V _{иссл.воды}

Ж_воды= 0,0523·12,74·1000 / 100 = 6,66 ммоль/л

3.9 S – элементы

Все элементы 1А и П А групп являются S – элементами (металлами). Металлы группы 1А имеют серебристую окраску, но быстро тускнеют на воздухе. У них сравнительно слабая металлическая связь (мало валентных электронов), они во многом отличаются от остальных металлов, а именно:

- они мягкие, их можно резать ножом;

- имеют низкие температуры кипения и плавления;

- имеют малую плотность (Li, Na, K легче воды):

- имеют низкие значения стандартных энтальпий плавления и испарения.

У элементов П А группы два валентных электрона и более прочная металлическая связь, что отражается на их физических свойствах.

Тип кристаллической структуры

Металлы группы 1А имеют объемно- центрированную кубическую решетку, Ве и Mg- гексагональную плотно упакованную структуру, Ва - объемно-центрированную кубическую решетку. Внешние электроны легко могут быть возбуждены, и переходить на более высокие энергетические уровни. При обратном переходе на низший уровень выделяется энергия в виде электромагнитных колебаний. Для этих металлов энергия переходов невелики, так что длина волны излучения соответствует видимой части спектра. Поэтому рассматриваемые элементы окрашивают пламя: Li – красный, Na – желтый, К – лиловый, Cs –голубой, Mg – ослепительно белый, Са –кирпично-красный, Ва –яблочно-зеленый и др. цвета. Названные элементы имеют постоянную степень окисления +1 для 1А группы и +2 для П группы. S –электроны экранированы от ядра благородно-газовой электронной оболочкой, и поэтому легко удаляются. Поскольку при движении вниз по группам размеры атомов увеличиваются, внешние электроны находятся дальше от ядра и энергия ионизации уменьшается. Высокие отрицательные значения Е⁰ указывают на ярко выраженные восстановительные свойства этих элементов.

S – металлы слишком активны, чтобы они могли находиться в природе в свободном виде. Они встречаются в виде соединений: хлоридов, карбонатов, нитратов, сульфатов. В чистом виде их можно получить электролизом, хотя это и дорогой способ получения.

Химические свойства

1. 
   Взаимодействие с водородом
   

С водородом S – металлы образуют гидриды, в которых водород имеет отрицательную степень окисления -1, в основном это соединения с ионной связью. Исключение составляют бериллий и магний, они менее электроположительные и поэтому с водородом образуют ковалентные связи.

2. Взаимодействия с аммиаком

Все (за исключением бериллия и магния) образуют амиды и гидриды:

2Na ( тв.) + 2 NH₃( ж )→ 2NaNH₂ (тв.) + H₂(г)

Амиды металлов легко взаимодействуют с водой, образуя аммиак:

NaNH₂(тв.) + Н₂О(ж) )→ NaОН(водн) + NH₃(г)

Элементы группы П А образуют с аммиаком нитриды:

3Mg( тв.) + 2 NH₃( ж )→ Mg₃ N₂ (тв.) + 3H₂(г)

2Са(тв) + 2 NH₃( ж )→2СаН₂(тв) + N₂(г)

3. Взаимодействие с водой

Все, исключая беррилий и магний, реагируют с холодной водой, образуя гидроксид металла и водород. Металлы 1А группы необходимо хранить под слоем керосина (масла) для предотвращения реакции с водяными парами воздуха:

2Na ( тв.)+ 2Н₂О (ж) )→ NaОН(ж) + Н₂(г)

Магний медленно реагирует с холодной водой, но с водяным паром быстро образует оксид магния и водород:

Mg (тв.) + Н₂О (пар) → Н₂(г) + MgО (тв)

Активность увеличивается в группах сверху вниз. Энергичность взаимодействия с водой является хорошей иллюстрацией увеличения активности металлов сверху вниз по группе:

Литий реагирует медленно с водой, бурно с кислотами;

Натрий гораздо энергичнее, бурно с кислотами;

Калий так энергично реагирует с водой, что воспламеняется.

Рубидий и цезий реагируют с ней более бурно.

Бериллий не взаимодействует с водой, но легко с кислотами;

Магний медленно с водой, бурно с кислотами;

Кальций спокойно реагирует с водой и энергично с кислотами;

Стронций и барий более активно реагируют с водой, по активности близки к натрию.

4. 
   Взаимодействие с неметаллами
   

Все элементы 1А и Па групп хорошо реагируют с кислородом и галогенами. При нагревании с азотом реагирует литий и все металлы ПА группы, за исключением бериллия: 6 Li(тв) + N₂ (г) → 2Li₃N (тв)

При действии воды нитриды выделяют аммиак:

Mg₃ N₂(тв )+ 6H₂O(ж) → 3 Mg(OH)₂(тв ) + 2NH₃ (г)

Элементы П А группы реагируют с углеродом, при высоких температурах, образуя карбиды. Важнейшим карбидом является карбид кальция. Он реагирует с водой, образуя ацетилен.

СаС₂(тв.) + 2Н₂О (ж) → Са (ОН)₂(тв) + С₂Н₂(г)

5. 
   Растворимость
   

Растворимость определяется двумя факторами:

1. 
   Разрушение кристаллической решетки, ее трудно разрушить (энергия решетки высоко эндотермична):
   
2. 
   Гидратация ионов. При гидратации ионов выделяется много энергии (энтальпия гидратации сильно экзотермична).
   

Соль металлов 1А группы хорошо растворимы, так как катионы однозарядны. Растворимость солей малых анионов и гидроксидов увеличивается, так как уменьшается энергия кристаллической решетки. Единственными нерастворимыми солями являются NaZn(CIO₂)₃ (CH3CO₂ )₉ и K₂Na Co(NO₂)₆]. У электролитов ПА группы энергия решетки больше и энтальпия больше, сольватация у малорастворимых соединений больше, поэтому много трудно растворимых солей.

6. 
   Термическая устойчивость
   

Термическая устойчивость твердых ионных соединений определяется их стандартной энергией решетки (это энтальпия, поглощаемая 1 моль соли при образовании из газообразных ионов). Она зависит от двух факторов:

1. 
   Чем больше заряды ионов, тем сильнее притяжение между ними, и больше энергия решетки;
   
2. 
   Чем меньше ионы, тем более близко они располагаются в кристалле и тем больше энергия решетки.
   

Нитраты разлагаются при нагревании. Для электролитов 1А группы (кроме лития) разложение идет до нитритов и кислорода:

2К NO₃(тв.) → 2КNO₂(тв.) + О₂ (г)

Нитраты ПА группы и лития разлагаются с образованием оксидов металлов, диоксида азота и кислорода.

2 Mg (NO₃)₂ (тв.) → 2MgO(тв.) +4 NO₂ (г) + O₂(г)

Решетка нитритов достаточно прочна, чтобы не происходило дальнейшего разложения до оксида. Иное дело в случае нитритов ПА группы. Ион О^2- меньше и более высоко заряжен, чем ион NO₂^-. Оксиды металлов ПА группы имеют большую энергию решетки и поэтому нитраты ПА групп дают при разложении оксиды.

Карбонаты 1 А группы (исключая литий) термически устойчивы, карбонаты группы П А разлагаются при нагоевании, образуя оксиды:

СаСО₃(тв.) → СаО(тв.) +СО₂(г)

Гидрокарбонаты электролитов 1А группы – твердые вещества, разлагающиеся при 100 ⁰С.

2NaHCO₃(тв.) → Na₂ CO₃ (тв.) + СО₂(г) +Н₂О (г)

Поэтому NaHCO₃ используют при выпечке хлеба.

Гидрокарбонаты электролитов П группы менее устойчивы, они существуют только в растворе. При кипячении они разлагаются, образую карбонаты.

Гидроксиды ведут себя аналогично карбонатам. Гидроксиды элементов группы 1А (кроме Li) устойчивы. Группа П А и Li разлагаются при нагревании, образуя оксиды. Mg (OH) ₂ (тв.) → MgO (тв.) +Н₂О (ж)

Все гидроксиды 1А группы растворимы. Они (кроме LiOH) гигроскопичны, т.е. поглощают пары воды из воздуха и при этом разлагаются. Из-за сильной щелочности растворов гидроксидов металлов 1А группы получили названия щелочных.

Гидроксиды П А группы менее растворимы. Гидроксиды Са, Sr, Ba растворимы в воде, но из-за низкой растворимости их растворы более слабые основания. Гидроксиды бериллия и магния нерастворимы в воде. Гидроксид бериллия амфотерен.