Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия. Практикум для СПО
.pdf
71
Свободные аминные группы аминокислот (лизин, аргинин, гистидин)
определяют основный характер белка:
–NН2 + Н+ → –NН
3
+
.
Определенное значение рН среды, при котором заряд молекулы равен
нулю, т. е. белок становится нейтральным и его растворимость минимальна,
называется изоэлектрической точкой (ИЭТ);
2) буферные обеспечивают поддержание постоянства реакции среды в тка-
нях, препятствуют изменению рН при добавлении небольших количеств кислот
или щелочей. Диссоциированные кислотные (–СОО– ) и аминные (–NН
3
+
) группы
нейтрализуют противоположные по заряду ионы, сохраняя рН белка на постоян-
ном уровне;
3) коллоидные: малая скорость диффузии; опалесцирующие свойства, т. е.
способность рассеивать лучи видимого света; высокая вязкость растворов; способность к образованию гелей; неспособность проникать через полупроницаемую мембрану;
4) гидролиз — расщепление сложной белковой молекулы в присутствии
кислот (кислотный гидролиз), щелочей (щелочной гидролиз), ферментов (ферментативный гидролиз). Продукты гидролиза — аминокислоты — могут быть
легко выделены в свободной форме или в виде солей, очищены и получены
в кристаллическом состоянии.
Задания для самоконтроля
1. Приведите классификацию аминокислот и примеры.
2. Раскройте особенности химического поведения аминокислот.
3. Приведите классификацию белков.
4. Раскройте особенности строения (структуры) белков.
5. Раскройте свойства белков: амфотерные, буферные, коллоидные.
Практическая часть
1. Покажите взаимодействие аминокислоты валина с NаОН; НСl; NН3;
РСl5; СН3Сl.
2. Раскройте химические свойства аминокислот на примере лизина: диссоциация в водном растворе; этерификация; декарбоксилирование; деаминирование; алкилирование.
72
3. Напишите реакцию образования тетрапептида ГЛИ-ФЕН-МЕТ-АСП,
определите рН.
4. Напишите реакцию кислотного гидролиза трипептида АЛА-ЛИЗ-ТИР,
определите рН.
Экспериментальная часть
Реакции глицина
Глицин, или гликокол (аминоуксусная кислота), входит в состав большин-
ства белков и относится к группе заменимых протеиногенных аминокислот.
В водном растворе глицин диссоциирует как кислота, но при наличии аминной
группы его кислотные свойства резко ослабляются в связи с образованием биполярного иона, или внутренней соли:
Н2N – СН2 – С = О Н3N+ – СН2 – С = О
⎯⎯⎯ НО О−
неионизированная форма ионизированная форма
(биполярный ион, внутренняя соль)
Кроме того, глицин, как и все аминокислоты, может образовывать ком-
плексные соединения с двухвалентной медью с характерным окрашиванием.
Комплексная медная соль глицина хорошо растворима в воде, устойчива в кислой и щелочной средах и имеет характерное для двухвалентной меди синее окрашивание:
О = С – ОН NН2 О = С – О NН2
Н2С + СuSО4 + СН
2
⎯→ Н2С Сu СН2
–Н2SО4
Н2N НО – С = О Н2N О – С = О
медный растворимый комплекс
Проведение эксперимента:
А. В пробирку вносят 1–2 мл водного раствора глицина. Опускают в рас-
твор полоску лакмусовой бумажки и определяют значение рН.
73
Б. Готовят 2 пробирки. В каждую вносят по 1 мл 5 %-ного раствора суль-
фата меди. Затем в одну из пробирок добавляют 1 мл раствора глицина. Отмечают различие окраски растворов в пробирках.
Затем в каждую пробирку вносят по 1 мл 5 %-ного раствора гидроксида
натрия и наблюдают образование осадка гидроксида меди в пробирке, в которой
отсутствует глицин.
Цветные реакции на белки
Методы качественного обнаружения белков основаны на двух главных ти-
пах реакций:
1) по пептидным связям — общие реакции на белки;
2) по аминокислотным радикалам — специфические.
Биуретовая реакция относится к общим цветным реакциям на белки
и пептиды, так как обнаруживает в молекуле белка пептидные группы: –СО–NН–,
с которыми взаимодействует гидроксид меди (II) с образованием комплексного
соединения. Эта реакция лежит в основе колориметрического метода определения белка по Лоури:
Проведение эксперимента. В пробирку вносят 1–2 мл раствора яичного
белка, добавляют двойной объем 30 %-ного раствора гидроксида натрия, хорошо
перемешивают и добавляют 1–2 капли 1 %-ного раствора сульфата меди. Снова
тщательно перемешивают. Развивается красно-фиолетовое окрашивание.
Ксантопротеиновая реакция происходит только при наличии в белках
остатков ароматических аминокислот — фенилаланина, тирозина и триптофана,
74
т. е. является специфической. В результате реакции нитрования по радикалам
ароматических аминокислот образуются желто-окрашенные нитросоединения:
тирозин нитросоединение желтого цвета
Проведение эксперимента. В пробирку вносят 1 мл раствора белка, до-
бавляют 5–6 капель концентрированной азотной кислоты до появления белого
осадка или мути от свернувшегося белка. Пробирку помещают в горячую водяную баню и выдерживают до появления желтого окрашивания. При этом осадок
почти полностью растворяется.
Смесь в пробирке охлаждают под струей водопроводной воды и, не взбал-
тывая, добавляют 5–6 капель 30 %-ного раствора гидроксида натрия. Смесь окрашивается в ярко-оранжевый цвет.
Азотно-ртутная реакция (реакция Миллона): дают все белки, содержа-
щие в своем составе остатки аминокислоты тирозина. Тирозин имеет в радикале
фенольную группу, которая взаимодействует с азотно-ртутным реактивом (реактивом Миллона), который представляет собой смесь нитратов и нитритов оксида
ртути (I) и (II), растворенных в концентрированной азотной кислоте. При взаимодействии его с фенольным ядром возникает нитрозо-тирозин, ртутное соединение которого окрашено в кирпично-красный цвет:
тирозин ртутное соединение нитрозо-тирозина
Проведение эксперимента. В пробирку вносят 0,5–1 мл раствора яичного
белка. Добавляют равный объем реактива Миллона. При этом белок выпадает
NH CH C
OCH
2
[H
OH
HO]
NO
2
NH CH C
OCH
2
NO
2
OH
-
HOH
NH CH C
OCH
2
H
OH
Hg NO
2
NH CH C
OCH
2
N
OHg
-
HOH
O
75
в осадок в виде белых хлопьев. Пробирку помещают в водяную баню при температуре около 60 °С и выдерживают до появления кирпично-красного цвета
осадка; иногда краснеет и раствор. Ртутные феноляты — нестойкие соединения,
поэтому реакцию следует проводить при небольшом и недлительном нагревании.
Сульфгидрильная реакция — на тиоаминокислоты: при щелочном гид-
ролизе белки превращаются в щелочные альбуминаты, отличные от исходного
белка. Кроме гидролиза по пептидным связям, наблюдается отщепление аминогрупп в виде аммиака; серы, при наличии в белке серосодержащих аминокислот
(цистеин, цистин и метионин), в виде сероводорода, переходящего в щелочной
среде в сульфид натрия:
– NН – СН – СО – – NН – СН – СО –
+ 2NаОН ⎯→ + Nа2S
СН2 –НОН СН2
SН ОН
цистеин сульфид натрия
Его обнаруживают действием солей свинца. Соли свинца в обменной ре-
акции с сульфидом натрия дают интенсивно окрашенный сульфид свинца темнокоричневого или черного цвета:
Nа2S + Рb+2 → PbS + 2Nа+.
сульфид свинца
Проведение эксперимента. В пробирку вносят 0,5–1 мл раствора яичного
белка и добавляют двойной объем 30 %-ного раствора гидроксида натрия. Пробирку помещают в горячую водяную баню и выдерживают 10–12 мин. При этом
выделяется аммиак, который можно обнаружить по запаху или по посинению
красной лакмусовой бумажки, поднесенной к отверстию пробирки (не касаться
стенок пробирки!). Образующийся незначительный осадок постепенно растворяется.
Затем к горячей щелочной жидкости добавляют около 0,5 мл
10 %-ного раствора ацетата свинца. Развивающееся темно-коричневое или черное окрашивание показывает присутствие сульфида свинца.
76
РАЗДЕЛ 3. ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
3.1. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Химическая термодинамика изучает превращения энергии в химических
процессах, возможность и направление протекания этих процессов.
Термодинамической системой называют объект материального мира, от-
деленный от окружающей среды реальной или воображаемой граничной поверхностью. По характеру обмена веществом и энергией с окружающей средой их
делят на:
– изолированные — не обмениваются ни массой, ни энергией:
Δm = 0, ΔЕ = 0;
– закрытые — не обмениваются массой, но обмениваются энергией:
Δm = 0, ΔЕ ≠ 0;
– открытые — обмениваются и массой, и энергией:
Δm ≠ 0, ΔЕ ≠ 0.
Состояние системы характеризуется термодинамическими параметрами:
температурой (Т), давлением (р), концентрацией (С), объемом (V), количеством
вещества (n). Различают интенсивные параметры, которые не зависят от массы
(Т, р), и экстенсивные (С, V, n) — они пропорциональны массе и обладают свойством аддитивности.
Свойства термодинамической системы можно охарактеризовать с помощью функций состояния, изменение которых не зависит от процесса, приводящего к этому состоянию: внутренняя энергия (U), энтальпия (H), энтропия (S),
энергия Гиббса (G).
Внутренняя энергия (U) включает все виды энергии системы и характе-
ризует способность системы передавать тепло (Q) и совершать работу (А). Ее
нельзя измерить, но можно определить ее изменение (ΔU = U2 – U1).
Зависимость между изменением внутренней энергии, теплотой и работой
устанавливает первый закон термодинамики: в замкнутой системе сумма всех
видов энергии постоянна:
ΔU = А + Q.
77
Энтальпия (H) — функция состояния, изменение которой равно теплоте,
полученной системой в изобарном процессе (ΔР = 0):
Qр = Н2 – Н1 = ΔН.
Энтропия (S) характеризует степень неупорядоченности системы. Данная
функция состояния позволяет рассчитать направление самопроизвольного протекания химической реакции. В изолированной системе процесс протекает в сторону увеличения энтропии, т. е. ΔS > 0. Это утверждение носит название второго
закона термодинамики.
Для энтропии возможно определение ее абсолютного значения: при абсолютном нуле энтропия идеального кристалла равна нулю, т. е. достигается полная упорядоченность. Этот постулат называют третьим законом термоди-
намики.
Энергия Гиббса (G) является критерием самопроизвольного протекания
химической реакции при изобарно-изотермических процессах и может быть
представлена следующей зависимостью:
ΔG = ΔН – ТΔS.
При уменьшении энергии Гиббса (ΔG < 0) реакция самопроизвольно протекает в прямом направлении.
Раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называется термохимией. Химические реакции, протекающие с уменьшением энтальпии (выделение тепла в окружающую среду) ΔН < 0, называются эк-
зотермическими. Химические реакции, протекающие с увеличением энтальпии
(поглощение тепла из окружающей среды) ΔН > 0, называются эндотермиче-
скими.
Основным законом термохимии является закон Гесса: тепловой эффект
химической реакции зависит только от вида и состояния исходных веществ и конечных продуктов и не зависит от пути протекания реакции.
В термохимических расчетах используют следствие из закона Гесса: изменение энтальпии химической реакции равно сумме энтальпий образования
продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ
с учетом стехиометрических коэффициентов.
Тепловые эффекты химических реакций экспериментально изучают методом калориметрии с помощью прибора калориметра, где создается система типа
78
термостата для равномерного теплообмена с окружающей средой и поддержания
постоянной температуры в приборе. С помощью термометра измеряют температуру реагирующих веществ до реакции и после нее.
Термодинамические показатели также определяют методом рефрактометрии, основанном на измерении показателя преломления (n) вещества.
Луч видимого света на границе перехода из одной прозрачной среды в другую прозрачную среду с большей плотностью меняет свое направление, т. е. преломляется. Отношение синуса угла падения (sin α) к синусу угла преломления
(sin β) называется относительным показателем преломления среды (n
отн
):
n
отн
= sin α / sin β.
Показатель преломления (n) зависит от длины волны падающего света,
температуры, давления, состава и строения вещества, поэтому его используют
для идентификации веществ, определения концентрации растворов, содержания
сахара и жира в пищевых продуктах. При этом метод отличается точностью,
быстротой, возможностью анализа в малом объеме вещества.
Рефрактометрические данные используют для расчета молярной рефракции (RM), изменения энтальпии (теплоты) сгорания (ΔН°
сгор
) и мольной теплоем-
кости соединений (Ср). Эти данные позволяют установить строение вещества.
Молярная рефракция (RM) характеризует способность электронов, содер-
жащихся в 1 моле вещества, к смещению под действием электромагнитного
поля. Она не зависит от фазового состояния вещества, его поляризуемости,
длины волны падающего света, температуры и давления, является электрооптической характеристикой вещества и определяется только строением молекулы
вещества. Этот показатель подчиняется правилу аддитивности, т. е. это сумма
рефракций отдельных атомов и связей:
R
Mтеор
= ΣRат + ΣRсв,
где Rат — рефракции атомов;
Rсв — рефракции связей.
Значения рефракций атомов и связей представлены в прил. 9.
Изменение энтальпии (теплоты) сгорания (ΔН°
сгор
) — тепловой эффект
сгорания 1 моля вещества в кислороде с образованием СО2, Н2О, N2 и других
веществ, кДж/моль. Теплота сгорания вещества — один из важнейших критериев
энергетической ценности топлива, различных рационов и диет.
79
Мольная теплоемкость вещества (Ср) –– количество теплоты, необходи-
мое для нагревания 1 моля вещества на 1 К (кДж/моль × К). Этот показатель используется для расчета термодинамических функций (энтальпии, энтропии),
констант химического равновесия, тепловых балансов.
Задания для самоконтроля
1. Дайте определение термодинамической системы, назовите виды, харак-
теристики.
2. Приведите формулировки законов термодинамики.
3. Дайте определение функций состояния системы: внутренняя энергия
(U), энтальпия (H), энтропия (S), энергия Гиббса (G).
4. Приведите формулировку закона Гесса и следствия из него.
5. Раскройте сущность метода калориметрии.
6. Раскройте сущность метода рефрактометрии.
7. Дайте определение: молярная рефракция (RM), тепловой эффект сгора-
ния (ΔН°
сгор
), мольная теплоемкость (Ср).
Экспериментальная часть
Определение термодинамических констант соединений
методом рефракции
Метод расчета термодинамических констант основан на измерении показателя преломления растворов исследуемых соединений на приборе — рефрактометре.
В результате проведения эксперимента необходимо освоить методику
определения показателя преломления и расчета молярной рефракции, изменения
энтальпии (теплоты) сгорания и мольной теплоемкости соединений; сравнить
опытные значения термодинамических констант с табличными и определить относительную погрешность измерений.
Проведение эксперимента. Проверяют правильность настройки прибора
рефрактометра ИРФ-454 по воде. Для этого необходимо поднять верхнюю
призму, нанести на нижнюю призму 1–2 капли дистиллированной воды, опустить верхнюю призму, добиться разделения поля зрения на светлую и темную
зону, устранить дисперсию границы светотени, подвести границу светотени на
перекрестие, отсчитать значение показателя преломления для воды 1,3330,
насухо вытереть призмы.
80
Затем проводят измерение показателя преломления исследуемой жидкости
и рассчитывают опытные значения термодинамических констант вещества
(RM, ΔН°
сгор
, Ср) по формулам:
где RM — молярная рефракция, см3/моль;
n — показатель преломления;
М — молярная масса вещества, г/моль;
ρ — плотность вещества, г/см3.
X = ax × R
Моп
+ bx,
где X — термодинамические константы (ΔН°
сгор
, Ср);
а
х
и bх — соответствующие коэффициенты (прил. 10).
Рассчитывают теоретическое значение молярной рефракции R
Mтеор
, ис-
пользуя правило аддитивности.
Оценивают точность определения опытных значений Х (RM, ΔН°
сгор
, Ср) по
отношению к их теоретическим значениям (прил. 11). Вычисляют относительную погрешность по формуле:
Все полученные данные заносят в табл. 3.1 и делают выводы.
Таблица 3.1
Сводная таблица физических и термодинамических величин
Вещество
Ρ,
г/см3
n
D
20
RM, см3/моль
ΔН°
сгор
, кДж/моль
Ср, кДж/моль × К
оп.
теор.
∆, %
оп.
теор.
∆, %
оп.
теор.
∆, %
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]