Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

ионофора в нелетучем органическом растворителе, не смешивающимся с водой. Селективность такой мембраны зависит от комплексообра­ зующих свойств ионофора по отношению к определяемому иону на фоне других ионов, находящихся в анализируемой системе. Среди ио­ носелективных электродов определения с жидкой мембраной наиболее широкое применение нашли калиевый, кальциевый, нитратный и ацетилхолиновый электроды (табл. 25.2).

Таблица 25.2

Ионоселективные электроды

В последнее время наряду с ионоселективными электродами в биохи­ мических анализах применяют молекулярноселективные электроды. Мо­

лекулярноселективные электроды определения представляют собой ионо­ селективные электроды, на наружной поверхности мембран которых на­ несен слой иммобилизованного фермента. Ферменты - вещества, которые способны катализировать превращения одного-единственного субстрата из многих сотен или даже тысяч веществ близкой химической природы. Под действием фермента происходит реакция с определяемым субстратом,

приводящая к образованию иона, к которому чувствителен данный элек­ трод определения. Такие электроды часто называют ферментными. На­ пример, мочевино-селективный электрод состоит из аммоний-селектив-

ного стеклянного электрода, покрытого слоем, содержащим фермент уреазу. Под действием уреазы мочевина CO(NH2)2 в исследуемом растворе гид­

ролизуется с образованием иона аммония, концентрация которого фикси­ руется аммоний-селективным стеклянным электродом, и тем самым опре­

деляется содержание мочевины в исследуемом растворе.

С помощью фермента пенициллиназы, нанесенного на поверхность

мембраны стеклянного электрода для измерения pH, можно опреде­

676

лять концентрацию пенициллина в исследуемом растворе. Пеницил­ лин под действием пенициллиназы количественно превращается в пе­ нициллиновую кислоту, что изменяет pH среды пропорционально со­ держанию пенициллина и фиксируется стеклянным электродом.

В настоящее время в клинической практике широко используются молекулярноселективные электроды, содержащие ферменты для опре­ деления глюкозы, антибиотиков, витаминов, гормонов, аминокислот и других биологически активных веществ. Разрабатываются иммуно­ электроды для определения содержания антигенов или антител.

Кроме ионо- и молекулярноселективных электродов в потенциометрии в качестве электрода определения используют окислительно­ восстановительный электрод определения на основе платины для ис­ следования ионного состава различных сопряженных окислительно­ восстановительных пар.

С помощью рассмотренных электродов определения потенциометрически определяют непосредственно активности и кон­ центрации соответствующих ионов или веществ в исследуемых системах. Такая методика называется прямой потенциометрией (см. рис. 25.9). При прямой потенциометрии предварительно обязательно калибруют электрод определения. Для этого с по­ мощью данного электрода определения проводят измерения се­ рии стандартных растворов с известной концентрацией опреде­ ляемого иона или вещества. По полученным данным или строят калибровочный график в координатах Е = у(рХ;), или корректи­ руют шкалу иономера для измерения рХ;. Таким образом, от­ корректированный pH-метр или иономер позволяют с помощью откалиброванного электрода определения измерить pH или рХ; непосредственно по шкале прибора.

Прямая потециометрия с использованием ионо- и молеку­ лярноселективных электродов определения широко применяет­ ся в клинической и санитарной практике.

25.6.3. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ

Более точным и более информативным методом по сравне­ нию с прямой потенциометрией является потенциометрическое титрование.

Потенциометрическим титрованием называется титриметрический метод анализа, в котором точка экви­ валентности определяется по изменению в ходе титро­ вания ЭДС гальванической цепи, включающей анализи­ руемый раствор.

Потенциометрическое титрование состоит в том, что к анализи­ руемому раствору, в который опущены электрод определения и электрод сравнения, порциями добавляют титрант из бюретки, содержащей реагент на определяемое вещество, и после каждо­ го добавления титранта измеряют ЭДС составленной гальвани­ ческой цепи (рис. 25.11).

677

Переключатель

Рис. 25.11. П отенциометрическое титрование

Электрод определения выбирают в зависимости от вида ана­ лизируемых ионов и типа химической реакции, протекающей при титровании. При кислотно-основном титровании pH раство­ ра измеряется с помощью стеклянного электрода определения, чувствительного к катиону Н+. При окислительно-восстанови­ тельном титровании применяют окислительно-восстановитель­ ный платиновый электрод определения. В случае комплексо­ метрического титрования в качестве ионоселективного электро­ да определения используют электрод, чувствительный к кон­ центрации анализируемого иона, участвующего в реакции комплексообразования.

Для нахождения точки эквивалентности при потенциомет­ рическом титровании обычно строят кривую титрования.

Кривой потенциометрического титрования называ­ ется график зависимости ЭДС гальванической цепи, со­ держащей анализируемый раствор, от объема титранта Е =Л^тиТр), & в случае кислотно-основного титрова­ ния - график зависимости pH раствора от объема титранта pH = У(^титр)-

Кривая потенциометрического титрования обычно имеет S-об­ разную форму (рис. 25.12, а). На этой кривой можно выделить три участка:

- начальный относительно пологий участок, для которого

Vу титр < Vу экв>

678

|Рис. 25.12. Кривая потенциометри­ ческого титрования и методы опре­ деления положения точки эквива­ лентности:

а- графически; б - по зависимости

ЛрН/ЛУтИТр ~ .Л^титр)

- средний, почти вертикаль­ ный отрезок кривой, называе­ мый скачком титрования. Се­ редина скачка титрования со­ ответствует точке перегиба и точке эквивалентности, для нее

тельно пологий, для которого Утитр > Уэкв.

Точка эквивалентности, как точка перегиба, может быть определена графически, как показано на рис. 25.12, а, с помо­ щью отрезка прямой АВ, соединяющей точки отрыва касатель­ ных, проведенных к начальному и конечному участкам кривой титрования. Точка пересечения этим отрезком скачка титрова­ ния и будет точкой эквивалентности потенциометрического тит­ рования. Более точно точку эквивалентности находят по мак­ симуму на графике ДрН/ДУтитр = Л^титр) (рис. 25.12, б).

Метод потенциометрического титрования в медикобиологи­ ческих исследованиях применяют не только для измерения концентрации ионов, но и для определения констант диссоциа­ ции слабых кислот, аминокислот, белков, нуклеиновых кислот или для определения констант нестойкости комплексных соеди­ нений. Рассмотрим определение константы диссоциации слабой кислоты на примере уксусной кислоты (рис. 25.13).

Константу диссоциации СН3СООН определяют по ее кривой потенциометрического титрования. В процессе титрования к ана­ лизируемому раствору кислоты порциями добавляют раствор ще­ лочи, при этом на начальном этапе образуется буферная система: смесь слабой кислоты (донор протона) и ее соли (акцептор прото­ на). Значение pH образующейся кислотной буферной системы при титровании можно вычислить по следующему уравнению:

Из приведенного уравнения видно: если с(соль) = с(кислота), то pH = рКа. Равенство концентраций слабой кислоты и ее соли в анализируемой системе наступает при добавлении к раствору кислоты половины эквивалентного объема титранта: Укаон = V 2 V3KB. Поэтому значение pH анализируемой системы в момент полунейтрализации слабой кислоты численно равно значению рКа этой кислоты. В нашем примере р.йГа(СНзСООН) = = 4,75. Таким образом, при потенциометрическом титровании

679

Гпава 26

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

После изучения этой главы вы должны знать:

—особенности энергетического состояния поверхностного слоя, факторы, влияющие на свободную поверхностную энергию, сорбцию и ее виды, отличия абсорбции и адсорбции;

—абсорбцию газов, законы Генри и Сеченова, способы пре­ дупреждения кессонной болезни;

—адсорбцию на неподвижной поверхности, основы теории моно-

иполимолекулярной адсорбции, особенности адсорбции из раство­ ров, правило Ребиндера, адсорбцию электролитов, ионообменную адсорбцию;

—адсорбцию на подвижной поверхности, уравнение Гиббса, по­ верхностно-активные вещества;

—основы хроматографии, ее виды и применение в медико­ биологических исследованиях.

Все биологические системы представляют собой гетероген­ ные системы, состоящие из двух или более фаз или мезофаз, которые отделены друг от друга поверхностью раздела, где свойства системы изменяются скачкообразно. Поэтому на по­ верхности раздела фаз наблюдаются различные поверхностные явления: поверхностное натяжение, сорбция, адгезия, смачи­ вание, капиллярная конденсация.

26.1. СВОБОДНАЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ

Все виды поверхностных явлений обусловлены тем, что час­ тицы, находящиеся на поверхности раздела, по-разному взаимо­ действуют с частицами соприкасающихся фаз, причем эти взаи-

681

Рис. 26.1. Схема действия межмолеку­ лярных сил внутри жидкости и на ее поверхности

модействия отличаются по энергии от взаимодействий частиц, содержащихся внутри каждой фазы. Например, мо­ лекулы, находящиеся на поверхности жидкости, испытывают неодинаковое

воздействие со стороны молекул жидкости и пара. Силы межмо­ лекулярного взаимодействия молекул, расположенных на по­ верхности, не скомпенсированы, их равнодействующая не рав­ на нулю и направлена в сторону жидкости (рис. 26.1).

Следовательно, потенциальная энергия молекул на поверх­ ности раздела фаз выше, чем у молекул внутри фазы. Эти от­ личия в энергетическом состоянии всех молекул поверхностно­ го слоя характеризуются свободной поверхностной энергией Gs.

Свободной поверхностной энергией называется термо­ динамическая функция, характеризующая энергию меж­ молекулярного взаимодействия частиц на поверхности раздела фаз с частицами каждой из контактирующих фаз.

Свободная поверхностная энергия зависит от количества частиц на поверхности раздела, а потому прямо пропорциональна пло­ щади раздела фаз и удельной энергии межфазного взаимодей­ ствия:

Gs = GS

где а ~ удельная свободная поверхностная энергия, которая характе­ ризует энергию межфазного взаимодействия единицы площади по­ верхности раздела фаз, кДж/м2; S - площадь поверхности раздела фаз, м2.

Удельная свободная поверхностная энергия о равна работе образования единицы поверхности раздела и зависит от приро­ ды контактирующих фаз и температуры. В зависимости от аг­ регатного состояния контактирующих фаз различают поверх­ ностные явления на подвижной и неподвижной поверхности раздела. В системах газ - жидкость или жидкость - жидкость поверхность раздела подвижна, так как частицы поверхности раздела постоянно обновляются вследствие теплового движения молекул каждой фазы.

Удельную свободную поверхностную энергию для подвижных поверхностей раздела фаз называют коэффициентом поверхно­ стного натяжения и обозначают аг/ ж или схж/ж. Его величину можно определить экспериментально при помощи сталагмометра и другими методами. Для полярных жидкостей вследствие более сильного межмолекулярного взаимодействия коэффициент поверх-

682

ностного натяжения больше, чем для неполярных жидкостей.

Так, ^воздух/вода = 0*73 кДж/м^, а ^воздух/ ГекСаН ~ кДж/м^. С повышением температуры а снижается, так как уменьшается различие в энергии межмолекулярного взаимодействия кон­ тактирующих фаз. При критической температуре и выше, ко­ гда исчезает различие между газом, паром и жидкостью, а энергия межмолекулярного взаимодействия в системе вырав­ нивается, а = 0.

В системах газ - твердое тело или жидкость - твердое тело поверхность раздела неподвижна. Удельную свободную поверх­ ностную энергию систем с неподвижной поверхностью раздела (аг/тв> аж/тв) экспериментально определить трудно, но ее значе­ ние можно оценить по способности твердой поверхности к сма­ чиванию.

Свободная поверхностная энергия Gs при постоянном давле­ нии совпадает с термодинамической функцией - энергией Гиб­ бса, характеризующей состояние поверхности раздела фаз в гете­ рогенных системах. В соответствии со II законом термодинамики (разд. 4.4) все самопроизвольные процессы происходят в направ­ лении, приводящем к уменьшению энергии Гиббса, поэтому и все поверхностные явления протекают самопроизвольно только в тех случаях, когда свободная поверхностная энергия системы умень­ шается:

AGS = (G S)K0H - (G s)Ha4 < 0 или Gs -> m in

Поскольку свободная поверхностная энергия Gs зависит от двух параметров - о и S, то все поверхностные явления соверша­ ются самопроизвольно, если при этом или снижается удельная свободная поверхностная энергия (Да < 0), или уменьшается площадь поверхности раздела фаз (AS < 0), или происходит та­ кое изменение этих величин, чтобы AGs = AaAS < 0.

К самопроизвольным поверхностным явлениям, которые сопровождаются уменьшением Gs за счет уменьшения площади поверхности, относятся: коалесценция - слияние капель жид­ кости или пузырьков газа - и коагуляция - слипание частиц в дисперсных системах.

К самопроизвольным поверхностным явлениям, сопровож­ дающимся уменьшением Gs за счет снижения удельной свобод­ ной поверхностной энергии а, относятся сорбция и ее последст­ вия: смачивание, эмульгирование и др.

26.2.СОРБЦИЯ И ЕЕ ВИДЫ

Вмедико-биологической практике среди поверхностных яв­ лений наибольшее значение имеет сорбция.

IIСорбция - гетерогенный процесс самопроизвольного no­

li глощения твердым телом или жидкостью веществ из II окружающей среды.

6 83

Твердые тела или жидкости, способные поглощать вещества из окружающей среды, называются сорбентами, а поглощаемое вещество - сорбитом. В зависимости от степени связывания поглощаемого вещества сорбентом сорбция может быть обрати­ мой и необратимой. Чаще всего сорбция является обратимым процессом, в результате в системе наряду с сорбцией протекает десорбция:

При достижении и установлении состояния равновесия скорость сорбции равна скорости десорбции. Это равновесное состояние характеризуется константой сорбционного равновесия К с и обычно довольно большим временем установления равновесия

^сорб/^десорб

Если Кс > 1, то в основном наблюдается процесс сорбции. Если Кс < 1, то преобладает процесс десорбции.

Благодаря десорбции в воздухе над водной поверхностью все­ гда находятся летучие вещества, содержащиеся в данной водной системе, обуславливающие запах питьевой или сточной воды, пи­ щевых продуктов, т. е. органолептические показатели их качества.

Процесс сорбции может сопровождаться диффузией вещест­ ва в глубь сорбента. Такой вид сорбции называется абсорбцией. В других случаях сорбция сопровождается концентрированием поглощаемого вещества на поверхности сорбента. Такой вид сорб­ ции называется адсорбцией.

26.3. АБСОРБЦИЯ

Абсорбция играет важную роль в обмене веществ, включая газообмен биосистем с окружающей средой. Процессы абсорбции лежат в основе технологических процессов обработки пищевых продуктов, очистки лекарственных препаратов от примесей, очист­ ки выбросов промышленных предприятий в окружающую среду.

Абсорбцией называется самопроизвольное поглощение веществ, при котором поглощаемые вещества (абсорбаты) в результате диффузии распределяются по всему объему вещества-поглотителя ( абсорбента).

При обратимой абсорбции в системе газ - жидкость или жид­ кость - жидкость происходит равновесное распределение по­ глощаемого вещества между контактирующими фазами в гете­ рогенной системе. Это равновесие характеризуется константой абсорбционного равновесия, называемой константой распреде­ ления jfiTpacnp» которую рассчитывают по формуле:

6 84

Значение константы распределения зависит от природы кон­ тактирующих фаз и температуры.

Абсорбция подчиняется закономерности “ подобное с подоб­ ным” , поэтому концентрация поглощаемого вещества будет боль­ ше в той фазе, природа которой ближе к природе поглощаемого вещества, т. е. полярное вещество хорошо абсорбируется поляр­ ной фазой, а неполярное вещество - неполярной фазой. Напри­ мер, хлороводород хорошо абсорбируется водой, а кислород - перфтордекалином (C1QF22 - основа эмульсионного кровезаме­ нителя).

При больших значениях ifpacnp поглощаемое вещество в ос­ новном связано с абсорбентом, и концентрация его в окру­ жающей среде незначительна.

При низких значениях Я распр процесс десорбции вещества преобладает над процессом абсорбции, и поэтому вещество пре­ имущественно будет находиться в окружающей среде.

Кпроцессам абсорбции можно отнести растворение вещества

врастворителе, который можно назвать абсорбентом. Закономер­ ности абсорбционного распределения веществ важны для понима­ ния процесса обмена веществ в организме. Поступление питатель­ ных веществ и выведение продуктов метаболизма через клеточ­ ные мембраны подчиняются закону распределения этих веществ между неполярной фазой липидного слоя мембран и полярными фазами внутри- и межклеточной жидкостей. Водонерастворимые соединения: жиры, барбитураты, многие анестетики - хорошо растворимы в липидах, и поэтому они абсорбируются липидным слоем мембран, изменяя их физиологические свойства.

Если поглощаемое вещество - газ, то его абсорбция сопро­ вождается резким изменением объема системы в целом. Поэто­ му в соответствии с принципом Ле Шателье абсорбция газов в жидкости при увеличении давления возрастает и подчиняется

закону Генри.

При постоянной температуре абсорбция газа в единице «объема жидкости прямо пропорциональна парциальному

давлению этого газа в газовой смеси над жидкостью.

с = kp(X),

Парциальным давлением газа р(Х) называется часть общего давления (р0бщ)> которая соответствует молярной доле п(Х) газа в смеси: р(Х) = Робщп(Х). Так, парциальное давление основных компонентов сухого воздуха составляет (в мм рт. ст.): N2 - 594, О2 “ 160, СО2 - 0 ,2 , а воздуха, выдыхаемого человеком, соот­ ветственно: N2 - 520, О2 - 142, С02 - 38, Н2О - 53.

Закон Генри позволяет понять возникновение профессиональ­ ных заболеваний у водолазов, рабочих в кессонах, летчиков,

6 85