Задача 1. Базовые понятия для работы в биохимической лаборатории: шкала pH, буферные растворы.

Л.В. Яковенко Оглавление

1. Цель работы………………………………………………………………………..2

2. Теоретическая часть……………………………………………………………...2

2.1 Растворы……………………………………………………………………2

2.2. Сольватация………………………………………………………………3

2.3. Классификация растворов………………………………………………4

2.4. Электролиты. Электролитическая диссоциация…………………….5

2.5. Ионные равновесия в водных растворах……………………………...6

2.5.1. Кислоты и основания…………………………………………...6

2.5.2. Сила кислот и оснований………………………………………7

2.6. Понятие pH………………………………………………………………..8

2.7. Буферные растворы…………………………………………………….11

2.8. Активности ионов в растворе…………………………………………12

2.9. Границы раздела фаз. Электроды…………………………………….14

2.10. Потенциал полуэлемента. Уравнение Нернста……………………15

2.11. Диффузионный потенциал…………………………………………...16

2.12. Классификация электродов…………………………………………..18

2.12.1. Водородный электрод………………………………………...18

2.12.2. Хлорсеребряный и кáломельный электроды……………..19

2.12.3. Сурьмяный электрод…………………………………………20

2.12.4. Стеклянный электрод………………………………………..21

3. Экспериментальная часть……………………………………………………...23

4. Контрольные вопросы…………………………………………………………..25

5. Литература………………………………………………………………………..26

6. Приложения………………………………………………………………………26

1. Цель работы

Цель данной задачи практикума заключается в ознакомлении студентов с базовыми понятиями, необходимыми для работы в биофизической и биохимической лабораториях, - ионным произведением воды, величиной pH, диссоциацией кислот, титрованием кислот, буферными системами.

При подготовке к выполнению задачи практикума надо заранее рассчитать:

– кривую титрования 0,1 М раствора серной кислоты эквимолярным раствором гидроксида натрия.

2. Теоретическая часть

2.1 Растворы

Раствором называется гомогенная система (или фаза), состав которой может непрерывно изменяться в некоторых пределах. Растворы бывают жидкие, твердые и газообразные, но здесь мы ограничимся только жидкими растворами. Раствор представляет собой смесь частиц разных сортов, между которыми могут идти химические реакции, приводящие к изменению состава и химических потенциалов компонентов, однако этот случай мы здесь рассматривать также не будем.

Важнейшими характеристиками раствора являются его состав (перечень составляющих веществ) и концентрации компонентов. Один из компонентов раствора, обычно тот, что имеется в избытке, называется растворителем, а остальные компоненты – растворенными веществами. Выбор растворителя условен. При перечислении компонентов раствора растворителю обычно приписывают наименьший индекс (0 или 1).

Наиболее распространены следующие способы выражения концентраций.

Молярность (c_i) – количество i-го компонента в молях (n_i), содержащееся в 1 л объема системы (полный объем системы V выражен в литрах или дм³):

Размерность молярности имеет специальное обозначение: 1 моль/л = 1 М.

Моляльность (m_i) – количество i-го компонента в молях (n_i), приходящееся на 1000 г растворителя (g₁ – масса растворителя, выраженная в граммах):

.

Мольная доля (x_i) – отношение числа молей компонента (n_i) к общему числу молей в растворе:

. Мольным содержанием называют мольную долю, выраженную в процентах.

Массовая доля (w_i) – отношение массы компонента (g_i) к общей массе раствора:

Массовым содержанием называют массовую долю, выраженную в процентах.

В лабораторной практике чаще всего используют молярные концентрации. При рассмотрении теоретических вопросов в физической химии удобнее использовать моляльные концентрации и мольные доли, поскольку в этом случае концентрация не зависит от температуры. Для пересчета одних концентраций в другие можно использовать следующие соотношения:

,

, где ρ(г/см³) – плотность раствора, M_i – молярная масса i-го компонента, C – число компонентов в растворе.

Раствор называется насыщенным по данному веществу, если в заданных условиях это вещество (твердое, жидкое или газообразное) больше не переходит в раствор. Иначе говоря, система, содержащая нерастворенное вещество и раствор, находится в состоянии равновесия.

При растворении молекулы растворяемого вещества могут образовывать ассоциаты, приводящие к эффективному снижению числа растворенных частиц в растворе. С другой стороны, взаимодействуя с молекулами растворителя, молекулы растворяемого вещества могут распадаться, или диссоциировать. Если при диссоциации образуются заряженные частицы – ионы, то вещество называется электролитом, а диссоциация – электролитической. При диссоциации эффективное количество частиц в растворе увеличивается. Как при ассоциации, так и при диссоциации для описания свойств раствора одной лишь концентрации растворенного вещества недостаточно.

Диссоциацию характеризуют степенью диссоциации α – долей распавшихся частиц относительного полного количества частиц, введенных в раствор. Вещества, полностью диссоциирующие на ионы, называются сильными электролитами, и для них α = 1. Для неэлектролитов α = 0. Промежуточные значения α соответствуют слабым электролитам.

Если при диссоциации молекулы растворенного вещества образуется ν ионов, то полное число частиц в 1 л раствора равно сумме чисел образовавшихся ионов и частиц, не диссоциировавших на ионы: αcν + (1–α)c = c + αc(ν–1). Отношение числа частиц к числу молекул, введенных в раствор, называется изотоническим коэффициентом Вант-Гоффа i: