Т.3. Лекция_Растворы в биохимическом анализе

Раствор - это твердая, жидкая или газообразная гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Всякий раствор состоит из растворенных веществ и растворителя, т. е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, т.е. раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называют насыщенным, а раствор, в котором еще можно растворить дополнительное количество данного вещества, ненасыщенным.

Концентрацию растворов можно выражать следующими способами:

1. Процентная концентрация по массе (ω, %) - число единиц массы (например, число граммов) растворенного вещества (m_р.в.), содержащихся в 100 единицах массы (например, в 100 граммах) раствора (m_р-ра):

ω= (m_р.в.·100%)/m_р-ра.

Например, 15% раствор хлорида натрия – это такой раствор, в 100 г которого содержится 15 г NaCl и 85 г воды.

2. Молярность(С_м) - число моль (n) растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора: С_м = n/V. Так, 2М H₂SO₄ обозначает раствор серной кислоты, в каждом литре которого содержится два моля H₂SO₄, 196 г.

3. Молярная концентрация эквивалента (нормальность)(С_Н):- число моль эквивалентов (n_экв) растворенного вещества, содержащихся в одном литре раствора: Так, 2н. H₂SO₄ означает раствор серной кислоты, в каждом литре которого содержится два эквивалента, т. е. 98 г H₂SO₄.

4. Моляльность(С_m) - число молей растворенного вещества, приходящихся на 1000 г растворителя. Так, 2m H₂SO₄ означает раствор серной кислоты, в котором на 1000 г воды приходится два моля H₂SO₄. Мольно-массовая концентрация раствора – моляльность, в отличие от его молярности, не изменяется при изменении температуры.

5. Мольная доля(N_i) - отношение числа молей данного вещества (n₁) к общему числу молей всех веществ (n₁, n₂), имеющихся в растворе: N₁=n₁/(n₁+n₂).

Пользуясь растворами, концентрация которых выражена нормальностью, легко заранее рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть смешаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка:

С_Н1V₁= С_Н2V₂, где С_Н1, С_Н2 – молярные концентрации эквивалента (моль) растворенного вещества 1 и 2 соответственно; V₁, V₂ – объемы растворов (л) 1 и 2 соответственно. Таким образом, объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям.

Для очень разбавленных растворов и для очень низких содержаний элементов удобно выражать долю компонента от общего количества вещества в частях на миллион (млн^-1, ppm).

Плотность разбавленных растворов близка к 1,00 г×мл^-1. 

В этом случае: 1 млн^-1 (1 ppm) = 1 мкг× мл^-1 (1μg/ml) = 1 мг× л^-1, 

1 млн^-1 (1 ppm) = 1×10^-4 % (масс.)

 

С (млн-1)	=	mрастворенного компонента	×106
		m раствора

 

Для еще более разбавленных растворов или более низких содержаний компонента результаты чаще представляют числом частей на мллиард:

 

С (ppb)	=	m растворенного компонента	×109
		m раствора

 

Тогда: 1 ppb = 1 нг×мл^-1 (ng/ml) = 1 мкг×л^-1 (1 μg/l),

1 ppb = 1×10^-7 %.

При еще меньших содержаниях компонента, оперируют триллионными долями: 

1 ppt (1 часть на триллион частей) = 1×10^-12 %.

Когда говорят о газах, то долю (млн^-1), относят не к массе, а к объему. Например, 12 млн^-1 (12 ppm) СО₂ в воздухе означают 12 микролитров (12 μl) СО₂ на 1 л воздуха.

         Свойства растворов. 

Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворённого вещества (закон Рауля, 1887 г.): N₂ = [(P_о - P) / P_о], где N₂ - мольная доля растворённого вещества; P₀ - давление насыщенного пара растворителя над чистым растворителем (кПа), P - давление насыщенного пара растворителя над раствором (кПа).

Односторонняя диффузия растворителя в раствор через полупроницаемую перегородку называется осмосом. Объём раствора в результате осмоса увеличивается, при этом возникает давление на стенки сосуда, в котором находится раствор. Это давление называется осмотическим (P_осм,, кПа): 

P_осм = i·С_м·R·T, где С_м – молярная концентрация, R – универсальная газовая постоянная, T – температура, К

Изотонический коэффициент i (коэффициент Вант-Гоффа) -поправочный коэффициент, отражающий увеличение числа частиц в растворах электролитов по сравнению с растворами неэлектролитов той же концентрации.

Криоскопия - физико-химический метод исследования жидких растворов нелетучих веществ, основанный на измерении понижения температуры замерзания раствора по сравнению с температурой замерзания чистого растворителя. Понижение температуры (Δt_зам) замерзания раствора:

Δt_зам = i·K·C_m, где К - криоскопическая постоянная растворителя -величина понижения температуры замерзания раствора, в котором содержится 1 моль растворенного вещества в 1 кг растворителя, C_m - моляльная концентрация раствора.

Эбуллиоскопия - метод изучения жидких растворов нелетучих веществ, основанный на измерении повышения температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения чистого растворителя. Повышение температуры кипения (Δt_кип) раствора: Δt_кип = i·E·C_m, где Е - эбуллиоскопическая постоянная (константа) растворителя—величина повышения температуры кипения раствора, в котором содержится 1 моль растворенного вещества в 1 кг растворителя. Изотонический коэффициент (i) связан со степенью диссоциации (α) электролита соотношением α =[(i - 1) / (k - 1)], где k — число ионов, на которые распадается при диссоциации молекула электролита (для KCl k=2, для ВаС1₂ и Na₂SO₄ k = 3 и т. д.).

Наиболее точным и простым методом определения концентрации растворов является титрование. Это метод количественного химического анализа, основанный на измерении объема титранта (раствора с известной концентрацией), затраченного на реакцию с раствором вещества неизвестной концентрации, которую необходимо измерить. Титрование проводят до достижения точки эквивалентности, то есть такой точки, в которой количество добавленного титранта химически эквивалентно количеству определяемого вещества (закон эквивалентов). В зависимости от типа реакции, протекающей при титровании, различают кислотно-основное титрование, окислительно-восстановительное и т.д.

Пример: Для определения концентрации щелочей применяется кислотно-основное титрование раствором кислоты. При этом протекает реакция нейтрализации

NaOH + HCl = NaCl + H₂O,

к которой можно применить закон эквивалентов:

Если концентрация раствора является эквивалентной концентрацией (Сэк), то масса вещества (m) в объеме раствора (V) равна

m = C_эк×M_эк×V,

и выражение закона эквивалентов принимает вид:

V(NaOH)×C_эк(NaOH) = V(HCl)×C_эк(HCl).

Таким образом, для определения эквивалентной концентрации щелочи необходимо знать концентрацию кислоты и объемы растворов кислоты и щелочи, вступивших в реакцию.

Растворители входящие в состав неводных растворов подразделяют на две группы:

летучие (этиловый спирт, диэтиловый эфир, хлороформ)

нелетучие (глицерин, жирные масла, минеральные масла (вазелиновое), силиконы (эсилон - 4, 5), полиэтилоксиды (ПЭО – 400), димексид).

Апротонные растворители – это химические соединения инертного характера, молекулы которых не способны ни отдавать, ни присоединять протон. Их молекулы не ионизированы. К ним относятся углеводороды и их галогенопроизводные (бензол, толуол, хлороформ, четыреххлористый углерод и др.). Эти растворители не вступают во взаимодействие с растворенным веществом, следовательно, не способны изменить свойства ни кислоты ни основания.

Апротонные растворители часто добавляют к растворам для подавления сольволиза продукта нейтрализации, что способствует более четкому установлению конца титрования.

Диметилсульфоксид (ДМСО)  (CH₃)₂SO впервые был получен в 1866 году А.М. Зайцевым, учеником А.М. Бутлерова, путем окисления диметилсульфида (CH₃)₂S с помощью азотной кислоты. В настоящее время в качестве окислителя для этой цели чаще берут пероксид водорода H₂O₂.  Молекула ДМСО — амбидентатный лиганд, поскольку содержит неподеленные электронные пары на атоме кислорода и атоме серы, но в координации к иону металла может участвовать лишь один из этих атомов. В апротонном диметилсульфоксиде анионы оказываются "истинными" нуклеофильными реагентами, и потому реакции с ними протекают с большими скоростями.

ДМСО — протофильный растворитель, и потому его ассоциаты легко разрушаются при добавлении веществ, являющихся донорами протонов. Так, при смешивании ДМСО с водой выделяется большое количество теплоты и при определенных условиях на короткое время смесь становится вязкой. Эти эффекты связаны с разрушением цепочечной структуры  I и образованием структуры  II, включающей водородные и кислородные связи с молекулами воды.

Как реагент ДМСО в комбинации с ангидридами карбоновых кислот в мягких условиях эффективно окисляет самые разнообразные первичные и вторичные спирты до карбонильных соединений. Он же служит в качестве исходного реагента для синтеза различных сульфониевых соединений.

Проведение реакции при пониженных температурах

Реакции при пониженных температурах проводят в колбах, погруженных в охлаждающие до требуемой температуры бани. Для охлаждения до 0°С в качестве сосуда для бани применяют алюминиевые или пластиковые чашки, для охлаждения до –20°С лучше использовать пластиковые ёмкости, для более низких температур – сосуды Дьюара. Ртутные термометры используются для измерения температуры до –20°С, для измерения более низких температур применяют спиртовые термометры (от +30°С до –120°С).

В качестве охлаждающего агента наиболее часто используют кашицу из мелко колотого льда и воды, имеющую температуру 0°С. Более низкие температуры дают хорошо перемешанные смеси дроблёного льда и неорганических солей.

Смесь твёрдой двуокиси углерода (сухой лёд) и ацетона даёт температуру -78°С, жидкий азот позволяет охлаждать до -196 °С.

 

Реакции в безводной среде и инертной атмосфере

Многие органические реагенты, промежуточные соединения и растворители легко взаимодействуют с водой, кислородом воздуха или углекислым газом. Это часто требует проведения синтезов в абсолютно безводных условиях и без доступа кислорода воздуха. Растворители для таких синтезов подвергают специальной дополнительной очистке, называемой абсолютированием.

Наиболее удобная и распространенная техника проведения экспериментов в инертной атмосфере основана на принципах, позволяющих легко осуществлять манипуляции с химическими соединениями, чувствительными к влаге и кислороду воздуха:

1. Замена воздушной среды в приборах для осуществления синтезов, выделения и хранения веществ на атмосферу инертного газа посредством вакуумирования и последующего заполнения инертным газом (аргон или азот).

2. Принцип противотока. Все химические операции, связанные с переносом растворителей или реагентов осуществляются в противотоке инертного газа. Для реализации этих принципов на практике в начале 20 века немецким химиком Вильгельмом Шленком была разработана специальная установка – линия Шленка, представляющая собой две параллельные стеклянные трубки, имеющие несколько сообщающихся отводов, снабженных вентилями.

Одна из трубок (вакуумная линия) подсоединяется к вакуумному насосу и позволяет удалять воздух из системы. Для предотвращения попадания легколетучих химических веществ и паров растворителей, приводящих к выходу вакуумного насоса из строя, между вакуумной линией и насосом находится система ловушек, погруженных в сосуды Дьюара с жидким азотом. Вторая трубка (линия инертного газа) присоединяется к резервуару, содержащему инертный газ под давлением (обычно баллон с азотом или аргоном).

При помощи вакуумного насоса из реакционного прибора, соединенного с линией Шленка вакуумным шлангом, удаляется воздух. По достижении оптимального давления (вакуума), прибор заполняют инертным газом, в атмосфере которого и проводят все дальнейшие манипуляции. Наличие нескольких отводов в линии Шленка позволяет работать с химическими соединениями, чувствительными к влаге и кислороду воздуха, в противотоке инертного газа (приготовление образцов, пересыпание, фильтрование т.п.).

Методы работы с реагентами, чувствительными к влаге и кислороду воздуха

Развитие новых синтетических методов привело к распространению и широкому использованию высоко реакционноспособных реагентов и катализаторов, чувствительных к действию кислорода, воды и углекислого газа. С такими реагентами следует обращаться очень осторожно, поскольку они легко разрушаются, а многие из них потенциально опасны. Так, практически все литийорганические соединения настолько энергично реагируют с воздухом и особенно с водой, что способны самовоспламеняться.

К реагентам, чувствительным к воздуху, прежде всего, относятся элементоорганические соединения (литий-,магний-,бор-,кремний-,цинкорганические и другие), боран и его комплексы, галогениды титана, бора, олова и ряд других. Большинство из них производятся и продаются (например, компаниями Аldrich, Fluka, Acros) в виде стандартизованных растворов в органических растворителях в герметично закрытых бутылях. В бутылях этого типа (рис.) под обычной пластиковой крышкой (3) находится металлическая пробка с отверстием (1), герметизированная пластиковой прокладкой (2). После прокалывания пластиковой прокладки тонкой иглой и плотного закручивания верхней крышки упаковка хорошо сохраняет герметичность. Это позволяет хранить раствор в инертной среде и проводить многократный отбор реагента для перемещения из бутыли в реакционную колбу, избегая контактов реагента с внешней средой. В целях безопасности категорически запрещается открывать металлическую крышку и допускать контакт реагента с воздухом или водой, а все операции по переносу этих реагентов осуществляются c помощью стеклянных шприцов или длинных гибких особо острых игл.

Для перемещения из бутылок, снабженных специальными крышками, чувствительных к действию воздуха реагентов в реакционные колбы используют ряд приемов, которые также применяют и для аналогичных реактивов, приготовленных в лаборатории. Перед введением реагента в установку для проведения синтеза все ее детали нужно тщательно высушить, после сборки из установки следует вытеснить воздух и создать в ней инертную среду. Для герметизации шлифов колбы или капельной воронки, в которую будет вводиться реагент, применяют специальные резиновые пробки, причем во избежание выдавливания пробки из шлифов под действием избыточного давления их следует закрепить проволокой или хомутом. Кроме того, для переноса реактивов нужно обязательно иметь линию подачи сухого инертного газа с регулируемым давлением (до 0.1 атм), снабженную барботером и заканчивающуюся короткой иглой. Эта линия служит для создания избыточного давления инертного газа, а также продувания им шприцов и игл, установок. При отсутствии линии инертного газа можно использовать резиновую камеру из плотной резины (наполняемую инертным газом из баллона), снабженную краном для регуляции потока газа.

Перенос и введение в реакцию небольшого количества реагентов, чувствительных к действию воздуха (до 50 мл), удобно проводить с применением стеклянных шприцов соответствующего объема, снабженных длинными (20–50 см) гибкими иглами. Для повышения безопасности работ, особенно на этапе обучения, целесообразно применять шприцы, в которых между иглой и стеклянным корпусом дополнительно устанавливается специальный запорный кран. Все части шприца, игла и запорный кран перед использованием должны быть тщательно высушены в сушильном шкафу. 

Детали, изготовленные из пластика, например кран, сушат в эксикаторе. Перед сборкой поршень шприца следует смазать минимальным количеством силиконовой смазки, а после сборки, используя газовую линию или камеру, несколько раз заполняют шприц инертным газом. До момента использования шприц следует держать наполненным инертным газом, а для предотвращения диффузии воздуха иглу можно воткнуть в резиновую пробку.

Материл из: Травень В. Ф. Практикум по органической химии [Электронный ресурс] :учебное пособие / В. Ф. Травень, А. Е. Щекотихин. — Эл. изд. —Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 595 с.). — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. — (Учебник для высшей школы).