Практичне заняття № 2

Тема: Хімічні показники стану гомогенних та гетерогенних природних систем (2 год.)

Мета: Узагальнити знання студентів про буферні розчини, окисно-відновні реакції та комплексні сполуки. Показати значення цих показників для природних систем.

Питання до теми:

1. Буферні розчини.

2. Механізм буферної дії.

3. Окисно-відновний потенціал.

4. Окисно-відновні реакції в ґрунтоутворенні.

5. Константа нестійкості комплексних сполук.

Методичні поради

Буферні системи. Системи, здатні зберегати рН у деяких вузьких межах при додаванні до них невеликих кількостей сильних кислот або лугу, а також при їх розбавлені, називаються буферними.

Буферні розчини складаються або з слабкої кислоти та її солі, яка утворена сильною основою (наприклад, ацетатний буферний розчин складається з ацетатної кислоти та ацетату натрію, гідрокарбонатний буфер - з Н₂СО₃ та гідрокарбонату натрію), або з слабкої основи та її солі, яка утворена сильною кислотою (амонійний буфер - з гідроксиду амонію та хлориду амонію).

Буферними властивостями володіють також розчини, що мають суміші солей слабких багатоосновних кислот.

Здатність буферних систем підтримувати постійність рН при додаванні до них невеликої кількості сильної кислоти і сильної основи полягає в тому, що одна складова частина буферної системи може взаємодіяти з йонами Н⁺ кислоти, а інша з йонами ОН^- основи, що додається. Внаслідок цього буферна система може зберігати постійність величини рН.

Буферними властивостями володіє і грунт. В залежності від значення рН ґрунтового розчину грунти поділяють на шість груп: сильно кислі (рН 3-4), кислі (рН 4-5), слабо кислі (рН 5-6), нейтральні (рН 6-7), слабо лужні (рН 7-8) і сильно лужні (рН 8-9).

Буферна здатність ґрунту в більшій мірі залежить від властивостей твердої фази ґрунту, особливо її колоїдної частини, а не від складу ґрунтового розчину. Вона, в основному, залежить від вмісту й складу обмінних катіонів у ґрунтовому вбирному комплексі. Систематичне внесення органічних добрив разом із вапнуванням підвищує ємність вбирання й ступінь насиченості ґрунту основами, а відповідно, збільшує його буферність.

Окисно-відновні властивості речовин визначаються за її хімічною активністю, яка виражається через окисно-відновний (оксред-) потенціал, який буває стандартний Е⁰_Ox/Red і реальний Е_Ox/Red. Реальний окисно-відновний потенціал визначається за рівнянням Нернста:

Е_Ox/Red = Е⁰_Ox/Red + , В

Приклад 1: Fe³⁺ + 1е  Fe²⁺

Е_Fe³⁺_/Fe²⁺ = Е⁰_Fe³⁺_/Fe²⁺ +

Значення стандартних окисно-відновних потенціалів дозволяє зробити висновок про можливість перебігу реакції за стандартних і реальних умов: якщо різниця стандартних або реальних окисно-відновних потенціалів(е.р.с.) вихідних речовин реакції позитивна, то можливе проходження реакції в напрямі продуктів реакції.

е.р.с. = Е⁰_Ox - Е⁰ _Red або е.р.с. = Е_Ox - Е _Red

Окисно-відновну спроможність речовин визначає окисно-відновний потенціал реакції (редокс-потенціал). Окисна спроможність речовин тим вища, чим більш позитивне значення окисно-відновного потенціалу реакції.

Оксред-пара з більшим стандартним окисно-відновним потенціалом є окисником по відношенню до оксред-пари з меншим стандартним окисно-відновним потенціалом. Наприклад, пара MnO₄^-/Mn²⁺ по відношенню до пари Вr₂/2Вr^- буде окисником, оскільки Е⁰MnO₄^-/Mn²⁺ = +1,52 В, а Е⁰Вr₂/2Вr^- = +1,06 В.

Окисно-відновні реакції мають велике значення в ґрунтоутворенні. Грунт – це складна природна окисно-відновна система. Нормальний ріст і розвіток рослин можливий при певному окисно-відновному стані грунту. Окисно-відновні реакції в грунті впливають на доступність (рухомість) рослинами таких елементів живлення, як Ферум, Манган, Нітроген, Сульфур. Наприклад, при розкладі органічних речовин в умовах високих значень окисно-відновного потенціалу Сульфур переходить переважно в сульфати, а при низьких значеннях утворюються сульфіди.

Окисно-відновний стан ґрунту визначає напрямок і швидкість багатьох хімічних процесів, які перебігають у ґрунті, і суттєво впливає на розвиток рослин, тобто родючість ґрунту. Встановлено, що нормальний розвиток рослин відбувається при окисно-відновному потенціалі ґрунту (ОВП) в межах від 200 до 700 мВ. Високий ОВП ґрунту вказує на відносно більший вміст у ньому окисників (О₂, NО₃^-, Fe³⁺), а низький – відновників (органічної сполуки, Fe²⁺, Mn²⁺).

Комплексні сполуки мають велике значення для живих організмів (обмін речовин, процеси дихання, фотосинтез, ферментативний каталіз).

Відповідно до теорії Вернера, комплексні сполуки характеризуються особливим просторовим розташуванням складових частин їхніх молекул. Основні положення координаційної теорії полягають у наступному.

1. У молекулі будь-якої комплексної сполуки один із йонів займає центральне місце і має назву комплексоутворювач або центральний йон.

2. Навколо центрального йона розташовується певна кількість протилежно заряджений йонів або нейтральних молекул, які називаються лігандами.

Центральний йон з розміщеними навколо нього лігандами утворюють внутрішню координаційну сферу сполуки.

3. Йони, що знаходяться на більш далекій відстані від центрального йона, складають зовнішню координаційну сферу комплексної сполуки.

4. Число, що показує скільки лігандів розташовано навколо комплексоутворювача у внутрішній сфері, називається координаційним числом. Найбільше часто зустрічаються в сполуках координаційні числа 6, 4, 2.

Заряд комплексного йона визначається сумою зарядів комплексоутворювача і тих йонів, що знаходяться у внутрішній сфері. Заряд комплексного іона повинний чисельно дорівнювати сумарному заряду йонів зовнішньої сфери і бути протилежним йому за знаком.

Щоб записати формулу комплексної сполуки, необхідно знати:

• заряд (ступінь окиснення) комплексоутворювача;

• заряд лігандів;

• координаційне число;

• йони зовнішньої сфери та їх заряд.

У водних розчинах координаційні сполуки дисоціюють як сильні електроліти на йони зовнішньої координаційної сфери і комплексні йони. Комплексні йони можуть бути катіонами й аніонами:

[Ag(NH₃)₂]CI ↔ [Ag(NH₃)₂]⁺ + CI⁺

K₄[Fe(CN)₆] ↔ 4K⁺ + [Fe(CN)₆]^4-

Утворені комплексні йони у водних розчинах піддаються дисоціації і далі, але як слабкі електроліти, оскільки ліганди утримуються центральними йонами більш міцно:

[Ag(NH₃)₂]⁺ ↔ Ag⁺ +2NH₃,

[Fe(CN)₆]^4- ↔ Fe²⁺ + 6CN^-

За законом діючих мас процесс йонізації комплексного йона [Ag(NH₃)₂]⁺ характеризується константою рівноваги. Остання засвідчує про стійкість комплексного йона і називається константою нестійкості (К_н) комплексної сполуки:

K_н [Ag(NH₃)]₂⁺=

Чим стійкіший комплекс, тим менша його константа нестійкості. Константа рівноваги зворотного процесу, тобто утворення комплексу, називається константою стійкості. Вона обчислюється як величина, обернена константі нестійкості :

К_ст. = 1/K_н.

Знаючи константи нестійкості різних комплексів, можна обчислити концентрацію відповідних простих йонів у водному розчині комплексних сполук.

Теми рефератів та доповідей (до самостійної роботи):

1. Біологічне значення буферних систем.

2. Грунт як багатокомпонентна полі функціональна органо-мінеральна система.