литература для всех / zolotov_yu_a_red_osnovy_analiticheskoy_khimii_v_2_knigakh_kn

при взаимодействии с растворителем (теплота разбавления). Например, при титровании железа (И) раствором К 2 Сг2 0 7 или КМ п04 концентра­

ция серной кислоты должна быть одинаковой и в пробе и в титранте. Поскольку все химические реакции происходят с эвдо- и экзотерми­

ческим изменением энтальпии, метод термометрического титрования может быть использован при проведении самых разных реакций титрова­ ния. Можно титровать как в водных, так и в неводных растворах, в рас­ плавах, эмульсиях и суспензиях, например в уксусной кислоте, тетрахло­ риде углерода, бензоле, в расплаве смеси нитратов лития и натрия.

Термотитриметрия — единственный метод титрования, в котором измеряемой величиной является АН , а не AG . Поэтому термометриче­ ское титрование можно проводить даже в том случае, когда величина АН равна нулю или положительна.

Энтальпию реакции взаимодействия кислоты с сильным основанием АН°

можно разложить на две составляющие, а именно иа энтальпию диссоциации

АН° и энтальпию нейтрализации полностью диссоциированных кислот (56,5

кДж/моль):

-AH'; = -АН ] + 56,5 .

С другой стороны, связь между энтальпией диссоциации АН] , свободной

энергией AG] и энтропийным фактором ТAS] выражается следующимуравнением:

390

Энталъпиметрия основана на определении количества вещества по разностям температур, соответствующим изменениям энтальпии АН . Избыток концентрированного раствора реагента сразу вводят в раствор пробы, находящейся в адиабатическом калориметре. Такую методику называют прямой инжекционной энтальпиметрией (ПИЭ). На рис. 14.12 представлен общий вид кривой, которую можно получить с помощью ПИЭ. Изменение энтальпии в ходе реакции одного моля вещества состав­ ляет А Н , поэтому при реакции и молей будет выделяться и • АН тепло­ ты. Величина АТ пропорциональна количеству выделившейся теплоты:

391

лить 3-1(Г9 М нитрит-иона с погрешностью 5% по реакции с сульфаминовой кислотой.

Метод, в основе которого лежит изменение линейных или объемных размеров в зависимости от температуры, называют дилатометрией. Это термический метод анализа, с помощью которого можно определять пре­ имущественно структурные изменения. При фазовых переходах меняется коэффициент линейного расширения а и вследствие этого относитель­ ное увеличение объема или длины:

А/ = а А Т .

Дилатометрия применяется главным образом для исследования полимеров и дает информацию о тепловом расшире­ нии, степени полимеризации и степени их кристалличности. Дилатометрически определяют также изменение объема растворов и конечную точку при титро­ вании (дилатометрическое титрование). В ходе титрования прослеживают изме­ нения объема анализируемого раствора AV или пропорционального ему изме­ нения длины А1 в зависимости от объе­ ма титранта VT (рис. 14.13).

В заключение стоит упомянуть катарометрию, которая основана на измерении теплопроводности газовых смесей как функции их состава. В присутствии различных газообразных веществ в потоке газа теплопро­ водность смеси отличается от теплопроводности чистого газа-носителя. Если на пути потока газа поместить нагретую нить, то степень ее охлаж­ дения будет зависеть от состава газовой смеси. Измерения проводят в специальных ячейках, в которых теплота проволочного сопротивления в зависимости от теплопроводности омывающей газовой смеси отводится по-разному, что вызывает соответствующие изменения сопротивления. Вместо металлических сопротивлений чаще используют чувствительные термисторы. Катарометрия широко применяется для анализа технических газовых смесей, например газов, выбрасываемых трубами предприятий. Кроме того, катарометры являются наиболее употребительными детекто­ рами в газовой хроматографии.

Л

ч

' :р

392

Глава 15. Биологический метод анализа

Биологический метод анализа основан на том, что для жизнедеятель­ ности — роста, размножения и вообще нормального функционирования — живых существ необходима среда строго определенного химического состава. При изменении этого состава, например, при исключении из сре­ ды какого-либо компонента или введении дополнительного (определяе­ мого) соединения организм через какое-то время, иногда практически сразу, подает соответствующий ответный сигнал. Установление характе­ ра связи или интенсивности ответного сигнала организма с количеством введенного в среду или исключенного из среды компонента служит для его обнаружения и определения.

А н а л и т и ч е с к и м и и н д и к а т о р а м и в биологическом мето­ де являются различные живые организмы, их органы и ткани, физиологи­ ческие функции и т. д. В роли индикаторного организма могут выступать

микроорганизмы, беспозвоночные, позвоночные, а также растения.

Все вещества по отношению к живым организмам можио условно разделить на: 1 ) жизненно необходимые; 2 ) токсичные; 3) физиологиче­ ски неактивные. Очевидно, только в двух первых случаях можно ожидать сравнительно быструю ответную реакцию организма (аналитический сиг­ нал). Физиологически неактивные вещества могут дать отдаленный ре­ зультат, либо их можно перевести в активное состояние в результате ре­ акций взаимодействия с ингибиторами, либо стимуляторами процессов жизнедеятельности организмов.

От характера определяемого вещества зависит выбор того или ииого индикаторного организма. Его ответный сигнал на изменение химическо­ го состава твердой, жидкой или воздушной сред может быть самым раз­ нообразным: изменение характера поведения, интенсивности роста, ско­ рости метаморфоза, состава крови, биоэлектрической активности органов и тканей; нарушение функций органов пищеварения, дыхания, размноже­ ния. Обобщенным показателем эффективности действия определяемого соединения на индикаторный организм является либо выживаемость, ли­ бо летальный исход.

Механизм взаимодействия определяемого химического соединения и индикаторного организма чрезвычайно сложен; это взаимодействие мож­ но представить следующей схемой:

394

Выбор способа регистрации ответного сигнала на заключительной стадии выполнения анализа зависит как от целей анализа, так и от меха­ низма и степени взаимодействия определяемого вещества и индикаторно­ го организма. Чем сложнее организм, тем большее число его жизненных функций можно использовать в качестве аналитических индикаторов, тем выше информативность биологического метода анализа. Ответный сиг­ нал индикаторного организма на одно и то же вещество зависит от кон­ цешрации вещества: малые концентрации обычно стимулируют процес­ сы жизнедеятельности организма, высокие — угнетают. Существенное повышение концентрации биологически активного вещества приводит к летальному исходу.

Диапазон определяемых содержаний, предел обнаружения соедине­ ний биологическим методом зависит от направленности и продолжитель­ ности воздействия химического соединения на организм, температуры и pH среды, уровня организации индикаторного организма, его индивиду­ альных, возрастных, половых особенностей.

Микроорганизмы как аналитические индикаторы

При использовании в качестве индикаторов микроорганизмов (бак­ терий, дрожжей, водорослей, плесневых грибов) наблюдают, как с из­ менением химического состава питательной среды изменяется динами­ ка роста как отдельной клетки, так и популяции в целом и сравнивают с

395

контрольным опытом. Интенсивность роста (размножения, угнетения) популяций оценивают чаще всего оптическими или электрохимически­ ми методами.

К широко используемым в неорганическом анализе микроорганиз­ мам относятся плесневые грибы. Наибольшим угнетающим действием на эти культуры обладают нитраты ртути (II), кадмия, таллия, токсическое действие которых объясняется блокированием SH-rpynn молекул белка микроорганизмов (табл. 15.1).

Т а б л и ц а 15.1 Примеры использования биологических методов для определения различных соединений

396

Грибы как аналитические индикаторы широко используют при ана­ лизе почв на содержание таких элементов, как цинк, медь, марганец, же­ лезо, молибден, фосфор, углерод, азот, сера.

Ростовые реакции микроорганизмов, изменяющиеся под действием различных химических соединений, применяют в анализе природных и сточных вод. С использованием бактерий и дрожжей разработан диф­ фузионный метод обнаружения в сточных водах фенолов, нефтепродук­ тов, фосфорорганических соединений.

Чрезвычайно высокой чувствительностью определения ряда биоло­ гически активных соединений отличается биолюминесцентный метод, основанный на реакции окисления кислородом воздуха субстрата люциферина, катализируемой ферментами люциферазами, выделенными из различных видов морских светящихся бактерий и жуков-светляков. Наря­ ду с люциферином и люциферазой для протекания указанной реакции необходима аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая участвует в многочисленных метаболических реакциях в организме, являясь аккуму­ лятором энергии и ее источником для самых разных процессов, проте­ кающих в живой клетке. Содержание АТФ в тканях, растительных и жи­ вых клетках свидетельствует об энергетическом состоянии клеток. При угнетающем или стимулирующем действии каких-либо веществ на рост микроорганизмов содержание АТФ в них соответственно понижается или повышается. Специфичность действия люциферазы светляков по отно­ шению к АТФ, высокий квантовый выход реакции позволили создать на этой основе высокочувствительные и селективные методы определения АТФ, а также различных метаболитов, в процессе превращения которых образуется АТФ (см. табл. 15.1). Биолюминесцентный метод определения содержания АТФ в живых (растущих или гибнущих) клетках используют для экспресс-определения антибиотиков в крови, микробных бактерий в моче, изучения повреждения клеточных мембран и в других биохимиче­ ских анализах и исследованиях.

Микроорганизмы широко применяют при контроле технологических процессов промышленного производства антибиотиков, витаминов и аминокислот.

Следует отметить еще один важный аспект применения микроорга­ низмов в химическом анализе — концентрирование и выделение микро­ элементов из разбавленных растворов. Потребляя и усваивая микроэле­ менты в процессе жизнедеятельности, микроорганизмы могут селективно накапливать некоторые из них в своих клетках, очищая при этом пита­ тельные растворы от примесей. Например, плесневые грибы применяют для избирательного осаждения золота из хлоридных растворов.

397

Использование беспозвоночных в качестве индикаторных организмов

Ответным сигналом беспозвоночных — простейших — на изменение химического состава среды является раздражение, приводящее к измене­ ниям двигательных реакций, скорость размножения, характер питания, другие биохимические и физиологические изменения организма.

Наиболее изученными с точки зрения использования в аналитиче­ ских целях являются инфузории. С их помощью возможно определение ионов тяжелых металлов (см. табл. 15.1). В то же время эти организмы непригодны для обнаружения и определения анионов. Скорость движения инфузорий повышается при введении в среду их обитания микроколи­ честв этанола, сахарозы, уксусной кислоты, хлоридов кальция и аммония; добавление хлорида бария замедляет движение клеток. Элементооргани­ ческие соединения при определенных концентрациях могут действовать как стимуляторы их размножения. Поведенческие реакции, скорость раз­ множения инфузорий используют для определения вышеуказанных со­ единений.

Водных беспозвоночных — ракообразных (чаще всего рачков, даф­ ний) — широко применяют для оценки санитарно-гигиенического со­ стояния вод. В качестве аналитического сигнала в этом случае использу­ ют некоторые физиологические показатели: выживаемость, частоту дви­ жения ножек, период сокращения сердца (у дафний), окраску тел погиб­ ших организмов и т. д.

Наиболее исследованными и используемыми в качестве индикатор­ ных организмов являются дафнии. Изменение частоты движения их груд­ ных ножек так же, как и изменение периода сокращения сердца, фикси­ руемые с помощью специальной аппаратуры, являются критерием оценки чистоты вод.

Регистрацию изменения скорости и траектории движения насекомых, например, личинок комаров, выживаемость организмов используют для определения остаточных количеств пестицидов в воде, экстрактах из почв, растительных и животных тканях (см. табл. 15.1).

Наблюдения под микроскопом за формой и скоростью движения червей, фиксирование продолжительности их жизни позволяют опреде­ лять микроколичества ионов металлов.

Использование позвоночных для определения микроколичеств элементов

Классическими индикаторными организмами, широко используемы­ ми для решения многих медико-биологических проблем, являются амфи­

398